Experimentelle und numerische Simulation und Analyse der Strömung um Rotoren und Rotorprofile



 

Rotorblattprofilmodell im DNW-TWG

 

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Einfluss der Transitionsmodellierung auf die Vorhersage des Nickmomentenverlaufs

Für die industrielle Verwendung von Profilgeometrien in Rotorblättern müssen das stationäre und instationäre Strömungsverhalten und das aerodynamische Leistungsvermögen der Profile schon vor dem Bau des Rotors detailliert bekannt sein, damit die Leistungsfähigkeit des zukünftigen Rotors hinreichend exakt abgeschätzt werden kann. Zu diesem Zweck werden in der Abteilung in enger Kooperation mit der Hubschrauberindustrie numerische Simulationen und Windkanalmessungen zur Strömungsanalyse und zur Leistungsbewertung dynamisch bewegter Rotorblattprofile durchgeführt. Neben den klassischen aerodynamischen Größen wie Auftrieb, Widerstand und Nickmoment spielen hierbei auch andere Informationen wie z.B. die Eigenschaften der Profildruckverteilung, die Position des laminar/turbulenten Grenzschichtumschlags sowie das stationäre und dynamische Ablöseverhalten der Profile eine wichtige Rolle.

Die Strömungsanalyse erfolgt für den gesamten Einsatzbereichs des Rotorblattprofils an full-scale Profilmodellen mit einer Profiltiefe von l = 300mm bis zu einer Machzahl von Ma = 0.85 bei Reynoldszahlen von bis zu Re = 5e6. Windkanalmessungen werden in Kooperation mit dem Institut für Aeroelastik im Transsonischen Windkanal Göttingen (DNW-TWG) durchgeführt. Auslegung, Konstruktion und Bau der eingesetzten Windkanalmodelle wird typischerweise innerhalb des DLR durchgeführt, um die größtmögliche Qualität von Windkanalmodell und Messdaten zu erreichen. Neben klassischen stationären Polaren, bei denen der Anstellwinkel des Modells Schritt für Schritt erhöht und die Umströmung stationär vermessen wird, erfolgen Strömungsanalyse und Leistungsbewertung auch instationär an Modellen mit dynamischer Anstellwinkelschwingung. Hierbei werden die Einflüsse von Machzahl, Reynoldszahl, mittlerem Anstellwinkel, Amplitude und Frequenz auf das dynamische aerodynamische Verhalten des Profils untersucht und im Sinne der industriellen Anwendung ausgewertet. Neben instationären Druck-, Kraft- und Beschleunigungsmessungen kommen Heißfilm- und Infrarotmessmethoden zur Transitionslagenbestimmung sowie High-Speed Particle-Image-Velocimetry zur Strömungsfeldmessung zum Einsatz.

Mit dem numerischen Simulationsverfahren DLR-TAU werden vor- und nachbereitende Strömungssimulationen durchgeführt, um weiter vertiefende Untersuchungen und Bewertungen der Profileigenschaften zu ermöglichen. Neben zweidimensionalen stationären und instationären Simulationen einzelner Messpunkte, erfolgt ebenfalls die dreidimensionale Simulation des Modells im Windkanal. Numerische Strömungsanalyse und Leistungsbewertung gehen mit sogenannten „zweidimensionalen Profilumlaufsimulationen“ noch einen Schritt über die experimentelle Analyse hinaus. Während im Windkanalexperiment Anströmmachzahl und Reynoldszahl für einen Messpunkt am dynamisch bewegten Modell konstant gehalten werden müssen, lässt die numerische Simulation die gleichzeitige zeitgenaue Variation von Machzahl, Reynoldszahl und Profilanstellwinkel zu. Auf diese Weise kann das aerodynamische Verhalten eines Rotorblattprofilschnitts während seines Rotorumlaufs für unterschiedliche Flugzustände und radiale Positionen ohne Rotationseinfluss näherungsweise abgebildet, untersucht und beurteilt werden.


Kontakt
Dr.-Ing. Kai Richter
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Hubschrauber
Tel: +49 551 709-2631

Fax: +49 551 709-2811

E-Mail: Kai.Richter@dlr.de
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Abteilung Hubschrauber (AS-HEL) (http://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-192/402_read-571/usetemplate-print/)