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1. Aeroelastik des Laminarflügels (ALF)



Das Projekt iGREEN war in 5 fachliche Hauptarbeitspakete unterteilt.

Bild 1: Das CAST-10 Modell im DNW-TWG mit Heissfilmsensoren auf der Oberseite
.
Bild 2: Infrarotmessung der Transition auf der Profiloberseite
.
Bild 3a: Schwingendes CAST-10 Modell, instationäre Auftriebs- und Momentenpolar bei Ma=0.765 
 
Bild 3b: Schwingendes CAST-10 Modell, momentane Strömungs-zustände bei Ma=0.700 
.
Bild 4: Numerische Flatteranalyse am CAST10-Profil für turbulente und transitionelle Strömungen im schallnahen Bereich
Bei der Aeroelastik des Laminarflügels (ALF) waren die Ziele

  • Erfassung des Einflusses der laminaren Strömung auf die instationären aerodynamischen Lasten und die aeroelastische Stabilität
  • Validierung und Bewertung numerischer Verfahren für die Flattervorhersage am Laminarflügel

Es wurden zunächst Erfahrungen in der Simulation der instationären Aerodynamik bei freier transitioneller Umtrömung und zwangserregten Schwingungen eines 2D Laminarprofil bei Reiseflug Machzahlen gesammelt und diese durch Vergleich mit Windkanaldaten sowie im Vergleich verschiedener CFD Verfahren und Transitionsmodellierungen untereinander validiert.

Entsprechende numerischen Analysen wurden mit dem DLR TAU Code, in Einzelfällen zur Ergänzung auch mit ANSYS CFX durchgeführt. Zur Validierung der numerischen Verfahren und zum Verständnis der instationären Transition wurden Grundlagenexperimente am Laminarprofil CAST10 durchgeführt. Im DNW-TWG transsonischen Windkanal Göttingen wurde das instationäre Verhalten des laminar-turbulenten Umschlags der Grenzschicht am schwingenden Profil untersucht. Das Modell (Bild 1) war dazu mit Heißfilmsensoren, mit instationären Drucksensoren und Beschleunigungssensoren ausgerüstet. Da die Heißfilmsensoren nur an einem Flügelschnitt installiert waren, wurden mit zwei Infrarotkameras zusätzlich die stationäre Transition auf der gesamten Flügeloberseite kontrolliert (Bild 2). Hiermit konnte die Zweidimensionalität überprüft und auch Transitionen infolge Modellrauhigkeit ausgeschlossen werden.  Die laminar-turbulente Transition erfolgte in Abhängigkeit von Machzahl und Anstellwinkel an unterschiedlichen Positionen der Flügeltiefe. Weiterhin fand der Umschlag nicht jeweils bei einer genau fixierten Position statt, sondern zeigte einen mehr oder weniger großen Übergangs(Intermittenz)bereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Dies konnte gut mit den Heißfilmsensoren, die eine Auflösung von 5% Flügeltiefe hatten, erfasst werden. Die großen, bis zu einer halben Profiltiefe ausgedehnten Intermittenzbereiche stellen eine hohe Herausforderung für die numerische Simulation dar.

Aus Druckmessungen integrierte instationäre Auftriebs- und Momentenbeiwerte zeigen bei transsonischen Strömungen mit Verdichtungsstößen ein erhebliches  nichtlineares Verhalten bei transitioneller Strömung, während die Vergleichsmessungen bei voll turbulenter Strömung noch weitgehend linear bleiben (Bild 3).

Diese Nichtlinearitäten haben erheblichen Einfluss auf die Flatterstabilität im transsonischen Bereich. Die Berechnungen wurden weiterhin bis zur Untersuchung des Flatterverhaltens geführt und gaben dabei deutliche Hinweise auf den Einfluss der Transition auf die Flattergrenze. Bild 4 zeigt Ergebnisse der numerischen Flatteranalyse für den Vergleich zwischen vollturbulentne und transitionellen Strömungen. Der typische „peak“ des ´Transonic Dip´ erscheint in einer Zwei Freiheitsgrad Flatteranalyse im Fall transitioneller Strömungen bei etwas kleinerer Machzahl und niedrigerem Flatterindex.

Die Signifikanz der erzielten Aussagen muss nun durch  weitere Untersuchungen, durch Variation der Laminarflügel Profilgeometrie und durch experimentelle Validierung überprüft werden. Die experimentelle Flatteruntersuchung und Erweiterung auf dreidimensionale Modelle erfolgt im Nachfolgeprojekt ALLEGRA.

 



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