SAMURAI

Synergy of Advanced Measurement Techniques for Unsteady and High Reynolds Number Aerodynamic Investigations

Die in der "ACARE Vision 2020" genannten Herausforderungen beziehen sich auf die Sicherstellung des technischen Innovationspotentials bei der Entwicklung von ressourcenschonenden und umweltfreundlichen Flugzeugen und den dafür erforderlichen Technologien. Dies ist eine Schlüsselfunktion im internationalen Wettbewerb und bedarf der Unterstützung der wissenschaftlichen Forschung auf nationaler und europäischer Ebene. Das Ziel von ACARE Vision 2020 ist die Reduzierung der Lärm- und Abgasemissionen im Flugverkehr. Diese können nur über technische Änderungen erzielt werden, die auf ein erweitertes Verständnis der physikalischen Prozesse z.B. in Triebwerksströmungen und in der Aerodynamik von Hochauftriebskonfigurationen zurückgreifen müssen. Für das Verständnis von solchen Strömungen mit intrinsisch instationärem Verhalten (Ablösung, Transition, Turbulenz, Wirbelbildung und -dynamik) samt zugehöriger Effekte der Strömungs-Struktur-Kopplung und strömungsinduzierter Schallquellen, sowie bei hohen Reynoldszahlen sind bildgebende Messverfahren ein unverzichtbares Werkzeug zur Erfassung von strömungsphysikalisch relevanten Messgrößen in ganzen Feldern und auf Oberflächen umströmter Bauteile bzw. Flügel(-segmente). Zudem befinden sich numerische Verfahren zurzeit in einer Phase rapider Entwicklung, um Strömungen in der instationären- und Hochreynoldszahl-Aerodynamik mit entsprechend angepassten Turbulenz- und Transitionsmodellen oder fortschrittlichen Verfahren (DES/ Hybride RANS-LES) in Simulationen vorherzusagen. Um letztlich als verlässliche Werkzeuge im Designprozess neuartiger Flugzeugentwürfe eingesetzt werden zu können und für eine integrierte Entwurfsplanung eine Kopplung der CFD Verfahren mit CSM und CAA Methoden zu ermöglichen, bedarf es umfangreicher Validierungsexperimente mittels bildgebender Messtechniken, mit denen allein die dafür nötigen räumlich aufgelösten (instationären) Daten in Feldern oder Volumina geliefert werden können.

Weltweit einmalig sind in den Instituten AS und AT viele verschiedene und sich ergänzende berührungsfreie und bildgebende Messverfahren (PSP, TSP, IRT, PIV, BOS, IPCT, Acoustic Array) zur mobilen Anwendung in Windkanälen und im Flugversuch entwickelt worden. Die bisherige Praxis ist der punktuelle Einsatz jeweils eines dieser Messverfahren zur Charakterisierung von Strömungszuständen um Windkanalmodelle oder deren akustische bzw. elastische Effekte. Die kombinierte Anwendung dieser optischen und akustischen Messverfahren ermöglicht es, verschiedene strömungsmechanisch, aero-akustisch und -elastisch relevante Messgrößen wie Druck, Geschwindigkeitsvektoren, Dichte, Modelldeformationen und Schallquellen in ganzen Feldern, auf Oberflächen bzw. in Volumina für ein gegebenes Modell in einem Windkanalversuch sukzessive oder sogar parallel zu erfassen, um eine möglichst umfassende Datenbasis für die experimentell nicht auf anderen Wegen zu erzielenden (instationären) Größen zu bestimmen. Solche Messdaten sind für die Weiterentwicklung, Validierung und Kombination komplexer Simulationstechniken, wie CFD (URANS, DES, LES, DNS), CSM oder CAA von großer Bedeutung. Des Weiteren ermöglicht der kombinierte Einsatz dieser Techniken teilweise erstmalige Untersuchungen von physikalischen Zusammenhängen (z.B. der Schallentstehung in wirbelbehafteter Strömung oder der elastischen Wirkung von (dynamischen) Kräften und Momenten auf Modellflächen, etc.).

 Einsatz bildgebender Messverfahren am Hochauftriebsflügel BNF ('Bürgernahes Flugzeug') im DNW-NWB
zum Bild Einsatz bildgebender Messverfahren am Hochauftriebsflügel BNF ("Bürgernahes Flugzeug") im DNW-NWB
Für zwei zentrale experimentelle Untersuchungsgebiete der Aerodynamik, dem Hochauftriebsflügel, repräsentiert durch das F16- und das "Bürgernahe Flugzeug (BNF)"-Modell, und der Triebwerksströmung, repräsentiert durch den UHBR und das ATRA-V2527 Triebwerk, werden im Rahmen von SAMURAI umfassende Felddaten mit den verschiedenen bildgebenden Messverfahren zur Erweiterung des aero-dynamischen, -elastischen und -akustischen Verständnisses dieser beiden komplexen Strömungssysteme ermittelt und für die Validierung von und Kombination mit begleitenden numerischen Verfahren bereitgestellt. Damit werden im Projekt SAMURAI mehrere Kernkompetenzen der Institute AS, AE, BK und AT in einer Weise verbunden, die ihr Potential an konkreten Herausforderungen und bei der Analyse komplexer Strömungssysteme unter Beweis stellen können.


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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