Dynamischer Strömungsabriss am Rotorblatt (Dynamic Stall)



Rotorblattprofilmodell im DNW-TWG
 

Gemessene statische und dynamische Nickmomentenkurven am Rotorblattprofil OA209

 

Numerische Dynamic Stall Simulation mit dem DLR-TAU Code

Am rücklaufenden Hauptrotorblatt eines Hubschraubers kommt es im schnellen Vorwärts- oder Manöverflug zum Auftreten eines dynamischen Abreißens der Blattumströmung, dem sogenannten „Dynamic Stall“. Dieses inherent instationäre Strömungsphänomen wird durch das komplexe Zusammenwirken von laminar/turbulenter Grenzschichttransition, massiver Strömungsablösung, Wirbelbildung und -ausbreitung sowie Wiederanlegen der Strömung bestimmt, was ein gänzliches Verständnis der Vorgänge stark erschwert. Während des Dynamic Stall sind am betroffenen Rotorblatt hohe Lastspitzen in Auftrieb, Widerstand und Nickmoment zu verzeichnen. Dieses führt zum einen zu einer unerwünschten Erhöhung des Gesamtwiderstandes. Zum anderen muss der Flugbereich im Manöverflug eingeschränkt werden, um eine strukturelle Schädigung des Rotors infolge zu hoher Steuerstangenkräfte während des Dynamic Stall auszuschließen. Verstärkte Vibrationen führen darüber hinaus zu einer erhöhten strukturellen Belastung des Rumpfes sowie zu einer Minderung des Passagierkomforts.

In der Abteilung werden im Rahmen des DLR/ONERA Projektes SIMCOS (Advanced Simulation and Control of Dynamic Stall) aufwendige Windkanalexperimente und instationäre numerische Strömungssimulationen an dynamisch bewegten Rotorblattprofilen zur Untersuchung von Dynamic Stall durchgeführt. Sowohl in Grundlagenuntersuchungen in kleinen Windkanälen als in auch realitätsnahen Experimenten an full-scale Rotorblattprofilen in großen Anlagen wie dem Transsonischen Windkanal Göttingen (DNW-TWG) werden die Einflussparameter auf die Entstehung und den Ablauf des dynamischen Strömungsabrisses untersucht und hinsichtlich verbesserter Vorhersagemöglichkeiten des Phänomens analysiert. Dabei kommen umfangreiche Messtechniken wie z.B. instationäre Druck-, Kraft- und Beschleunigungsmessungen ebenso zum Einsatz wie unterschiedliche Varianten von zeitlich und räumlich hoch aufgelöster Particle Image Velocimetry zur Strömungsfeldmessung. Auf Basis der Messdaten werden aufwendige zwei- und dreidimensionale instationäre Strömungssimulationen mit dem DLR-TAU Code durchgeführt, um die numerische Vorhersage des Strömungsphänomens zu verbessern. Hierbei werden neuste Turbulenzmodelle und Transitionsvorhersagemethoden erprobt, um mittelfristig eine quantitative Berücksichtigung des Dynamic-Stall-Verhaltens im Rotorblattentwurf zu ermöglichen.

Die Arbeiten zum Thema Dynamic Stall werden in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern durchgeführt. Neben der engen Kooperation mit der französischen ONERA werden weitere internationale Kooperation mit NASA, US-Army und Konkuk University Seoul verfolgt. Die Arbeiten sind darüber hinaus eng mit der deutschen und europäischen Hubschrauberindustrie abgestimmt.

Literatur

  • K. Richter, A. Le Pape, T. Knopp, M. Costes, V. Gleize, A.D. Gardner, "Improved Two-Dimensional Dynamic Stall Prediction with Structured and Hybrid Numerical Methods". In: American Helicopter Society 65th Annual Forum Proceedings, 2009
  • Mulleners, Karen and Raffel, Markus (2010) The Onset of Dynamic Stall: a Time-Resolved Approach. 36th European Rotorcraft Forum, 07.-09. Sept. 2010, Paris, France
  • Kindler, Kolja and Mulleners, Karen and Schneider, Oliver and Raffel, Markus (2010) Dynamic Stall on a Fully Equipped Helicopter Model. 36th European Rotorcraft Forum , 07.-09. Sept. 2010, Paris, France.

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/)