Die Kenntnis instationärer aerodynamischer Lasten auf einer Flugzeugstruktur, die sich entweder gleichförmig (stationär) oder beschleunigt
Vereinfachtes CFD Rechengitter für instationäres Panel Verfahren (oben) und aus einer reduzierten TAU-RANS Datenbasis auf diesem Gitter berechnete instationöre harmonische Oberflächen Drücke (unten links: Betrag, unten rechts: Phasenwinkel) am HALO Forschungsflugzeug.
(manövrierend oder schwingend) oder in einer instationären Umgebung (atmosphärische Turbulenz, Wirbel, Böen) bewegt, ist für die Aeroelastik von entscheidender Bedeutung. Die Methoden ihrer numerischen Berechnung müssen weiter entwickelt und verbessert werden, besonders für die Simulation des Fluges in schallnaher und abgelöster Strömung und für geometrisch komplexe Strukturen. Unterschiedliche Anwendungen erfordern sowohl aufwändige Verfahren zur Lösung der Reynolds gemittelten Navier-Stokes (RANS) Gleichungen als auch schnelle Berechnungsverfahren für schnelle und robuste Abschätzungen der aeroelastischen Eigenschaften im Rahmen von multidisziplinärem Fugzeugentwurf und Optimierung.
Forschung und Modellierung
Hauptthema ist die zuverlässige Berechnung der instationären Aerodynamik, besonders der Phasenbeziehungen zwischen harmonischen Strukturschwingungen und induzierten Druckschwingungen, für die Flatteranalyse. Weitere Themen sind die Untersuchung der instationären Strömungsablösung (Buffet), des Einflusses von Böen und Wirbeln auf Tragflächen, des Einflusses der liminar-turbulenten Transition auf die Aeroelastik sowie der Wirbelablösung an stumpfen Körpern. Diese Themen werden derzeit vor allem mit RANS und Detached Eddy Simulationen (DES) bearbeitet.
Gültigkeitsbereiche und Genauigkeiten verschiedener instationärer CFD Verfahren, sowie schneller Verfahren für Entwurf und Optimierung, werden durch Vergleiche mit Windkanalexperimenten und der Verfahren untereinander bewertet, besonders für instationäre Strömungsablösung, Stoss-Grenzschicht Wechselwirkungen, sowie für die Wirkung von Steuerflächen, Flügel-Triebwerk und Flügel-Leitwerk Interferenzen und Laminarflügel. Diesem Thema sind und waren insbesondere die DLR Projekte HighPerFlex und iGREEN gewidmet.
CFD Entwicklung
Als Werkzeuge der instationären aerodynamischen Simulation kommen je nach Problemstellung der Flugzeug Forschung und Entwicklung verschiedene Verfahren zum Einsatz, in erster Linie der DLR TAU Code, daneben aber auch schnellere Verfahren, die speziell für instationäre Anwendungen im Zeit- und Frequenzbereich im Institut AE entwickelt werden. Beispiele sind: Euler-Grenzschicht Kopplung im Zeitbereich, sowie im Frequenzbereich die Verfahren TDLM und iSKEM, als Erweiterung der Doublet-Lattice Methode (DLM), und der linearisierte TAU Code (in Kooperation mit dem DLR Institut AS). Die Frequenzbereichsverfahren benötigen als Input ein oder zwei stationäre Strömungsfeldresultate, für die eine instationär überlagerte Strömung damit berechnet wird. Daneben werden Modellreduktion (ROM) Verfahren entwickelt, die nur wenige TAU-RANS Simulationen benötigen, entwickelt. Diese erzeugen einen Datensatz, aus dem eine Vielfalt möglicher instationärer Fälle im aus Frequenz, Bewegungsform, Machzahl gebildeten Parameterraum konstruiert werden kann. Alle schnellen oder reduzierten Verfahren werden so ausgelegt, dass sie kompatibel zu kommerziellen Standardsoftwaresystemen der Aeroelastik, wie NASTRAN oder ZAERO, sind.
Erzeugung aerodynamischer Datensätze
Instationäre schwingungsinduzierte Luftkräfte auf der Basis von TDLM-, Euler-Grenzschicht, und mit dem reduzierten Modellierungsverfahren CFD4Flutter auf RANS Basis wurden bisher für Flatterrechnungen mit NASTRAN und ZAERO, für die flugmechanische Modellierung von Gesamtflugzeugen, sowie für die Auslegung von Windkanalmodellen eingesetzt, u.a. in den EU Projekten MOB und AWIATOR, im nationalen Luftfahrtforschungsprojekt MODYAS und für das Forschungsflugzeug HALO.