Anwendung der Particle Image Velocimetry: Propellerströmung

Abteilung Experimentelle Verfahren

 Flugzeugmodell im Windkanal
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Propeller stellen auch heute im so genannten Jet-Zeitalter eine zuverlässige und effektive Antriebsart für eine Reihe von Flugzeugen dar. Von Regionalverkehrsflugzeugen bis hin zu großen Transportern werden Propellerantriebe wegen ihrer hohen Schubeffizienz im Unterschall-Geschwindigkeitsbereich genutzt. Die Entwicklung neuartiger Propellergeometrien, wie den so genannten Counter Rotating Open Propeller Konfigurationen, die auch für den Antrieb größerer Verkehrsflugzeuge bis zu transsonischen Geschwindigkeiten genutzt werden können, bekommt aufgrund der hohen Ölpreise und der gewünschten Reduktion der atmosphärischen CO2 Belastung eine wachsende Bedeutung. Hierfür ist allerdings ein detailliertes Verständnis der hoch instationären Umströmung und des Nachlaufes von Propellern unter den verschiedenen Bedingungen nötig, die im regulären Flugbetrieb und in dessen Grenzfällen auftreten können.

 

 Phasenstarre Messung der Umströmung eines Propellers
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In phasenstarren PIV-Messungen konnten in einem industriellen Windkanal an einem Flugzeughalbmodell (Abb. 1) Wirbel- und Scherschichten im direkten Propellernachlauf deutlich sichtbar gemacht und quantifiziert werden (Abb. 2, nur ein Kamerasichtfeld). Ein PIV-System bestehend aus einem 2 x 360 mJ Nd:YAG- Pulslaser und mehreren CCD-Kameras wurde eingesetzt, wobei Bildaufnahme und Laserpulse mit festen Phasenlagen eines Propellerblattes synchronisiert wurden. Die simultane Traversierung des Kameraarrays und des Laserlichtschnittes ermöglicht die Vermessung an verschiedenen flügelnormalen Ebenen entlang der Spannweite während des Windkanalbetriebs und der Änderung des Anstellwinkels. Für jedes Kamerasichtfeld und entsprechendes PIV-Bild können typischerweise 10.000 momentane Geschwindigkeitsvektoren bestimmt werden.

Die Analyse dieser und unter anderen Strömungsbedingungen erfasster Geschwindigkeitsfelddaten eröffnet neue Einsichten in die flugdynamischen Eigenschaften von Propellerströmungen und liefert strömungsmechanische Messgrößen für die Validierung und Weiterentwicklung numerischer Simulationsverfahren. Die numerische Berechnung der sehr komplexen und instationären Propellerströmung ist zurzeit noch sehr aufwendig und lässt sich nur mit vereinfachenden Annahmen innerhalb vertretbarer Rechenzeiten realisieren. Daher ist die PIV-Messtechnik besonders geeignet, wichtige aerodynamische Eigenschaften von neuartigen Propellerantrieben experimentell zu erfassen und in Kombination mit anderen bildgebenden Messverfahren, wie z.B. der IPCT zur Erfassung der Blattdeformationen oder dem akustischen Mikrofonarray zur Lärmquellenanalyse, ein erweitertes Verständnis für den nötigen Entwicklungsfortschritt zu ermöglichen.


 


Kontakt
Dr.rer.nat. Andreas Schröder
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Experimentelle Verfahren
Tel: +49 551 709-2190

Fax: +49 551 709-2830

E-Mail: Andreas.Schroeder@dlr.de
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