SFB 880:  Grundlagen des Hochauftriebs künftiger Verkehrsflugzeuge

• Fachliche Zuordnung: Informatik, System- und Elektrotechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 133733460

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Analyse der heutigen Leistungen und Anforderungen bei Verkehrsflugzeugen lässt einen zukünftigen Bedarf für Hochauftriebssysteme erkennen, der nicht mit industriellen Entwicklungsprozessen abgedeckt werden kann. Dieses gilt vor allem in den Bereichen der Lärmminderung und der verbesserten technologischen Fähigkeit zur Anpassung der Leistungsparameter von Hochauftriebssystemen bei Start und Landung (Skalierbarkeit). Die konsequente Verfolgung dieser Forschungslinien führt längerfristig zu den technologischen Grundlagen für ein neues Segment ziviler, lärmarmer Verkehrsflugzeuge für kurze Start- und Landebahnen, das eine nahtlose Integration in die Metropolregionen der Industriegesellschaft ermöglicht. Die Verwirklichung der Vision dieser neuen Verkehrsmittel erfordert Fähigkeiten, die in der Aeroakustik, der Aerodynamik und der Flugdynamik weit über den damaligen Stand der Methoden und des Wissens hinausgehen. Neue Perspektiven für die hier erforderlichen, aktiven Hochauftriebssysteme ergeben sich auch durch die zunehmende Elektrifizierung von Verkehrsflugzeugen. In der ersten Förderperiode des Sonderforschungsbereichs wurden grundlegende Mechanismen der Minderung der Umströmungsgeräusche von Tragflügeln erforscht, die aerodynamischen und strukturtechnologischen Grundlagen für den Entwurf von Tragflügeln mit aktiver Strömungskontrolle erarbeitet und erste Berechnungsmodelle für flugmechanische und aeroelastische Analysen des Gesamtflugzeugs entwickelt. In der zweiten Förderperiode und in der Auslauffinanzierungsphase hat der SFB Berechnungsmodelle und Simulationen zur Minderung des Umströmungsgeräuschs für Anwendungen auf gradierte und anisotrop poröse Materialien erweitert sowie gradierte Materialien hergestellt und in Windkanalversuchen untersucht. Da die Nutzung der aeroakustischen Abschirmung der Strömungsgeräusche von Propellerantrieben bei Verkehrsflugzeugen nicht wirtschaftlich ist, konnten alternativ für Fan-Triebwerke mit extrem hohem Nebenstromverhältnis die Lärmminderungspotenziale der Integration im Bereich der Flügelhinterkante und die aerodynamische Integration im Reiseflug und im Hochauftrieb aufgezeigt werden. In den Forschungsarbeiten zum aktiven Hochauftrieb wurde die Effizienz des dynamischen Ausblasens erstmalig in Wasser- und Windkanalversuchen gezeigt. Ferner konnten umfassende Analysefähigkeiten in den kritischen Aspekten der formvariablen Vorderkanten nachgewiesen und mit einem leistungsfähigen Funktionsmuster verifiziert werden. Eine technologische Herausforderung sind die Kompressoren im Flügel. Dafür liegt nunmehr eine integrierte Entwurfsmethodik für Antrieb, Leistungselektronik und Verdichterstufe vor, und der SFB untersuchte erstmalig einen leistungsfähigen Hardware-Demonstrator. Die Simulationen des aeroelastischen Verhaltens von Tragflügeln mit nichtlinearem Auftriebsverhalten ermöglichen nun Flatter-Analysen unter Einschluss des Antriebs mit großen Propulsoren. Die flugmechanischen Analysen zeigten die Besonderheiten des Fluges mit sehr großen Auftriebsbeiwerten und Propellerantrieb auf. Aufbauend auf fundierten Analysen der Längs- und Seitenbewegung und bei einseitigem Triebwerksausfall unterstrichen die ersten Auslegungen von Flugsteuerungssystemen die große Bedeutung der Flugregelung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Turbulent jet computations based on MRT and Cascaded Lattice Boltzmann models,” Computers & Mathematics with Applications, volume 65, issue 12, pp. 1956–1966 (2013)
  S. Geller, S. Uphoff, M. Krafczyk
  
• “Modeling of flow-induced sound in porous materials,” International Journal for Numerical Methods in Engineering 98 (1), pp. 44-58, 2014
  S.C. Beck, S. Langer
  
• “SFB 880: aeroacoustic research for low noise take-off and landing”, CEAS Aeronautical Journal, 5 (4), Seiten 403-417. Springer
  Delfs, J.; Faßmann, B.; Lippitz, N.; Mößner, M.; Müller, L.; Rurkowska, K.; Uphoff, S.
  
• "Methods for the uncertainty quantification of aircraft simulation models." Journal of Aircraft 52.4 (2015): 1247-1255
  Rosić, Bojana V., and Jobst H. Diekmann
  
• "Robustness Analysis of an Aircraft Design for Short Takeoff and Landing," Journal of Aircraft 52.4 (2015): 1235-1246
  Krosche, Martin, and Wolfgang Heinze
  
• “Buckling of multiple discrete composite bundles in the elastomeric foundation of a curvature-morphing skin,” Comp. Struct., 134, pp. 1014-1023, 2015
  Schmitz, A., Horst, P.
  
• “Design con-siderations for the components of electrically powered active high-lift systems in civil aircraft,” CEAS Aeronautical Journal, Vol. 6, No. 1, 2015
  Teichel, S.; Dörbaum, M.; Misir, O.; Merkert, A.; Mertens, A.; Seume, J.; Ponick, B.
  
• “Modelling of turbulent flow over porous media using a volume averaging approach and a Reynolds stress model”, Computers & Fluids, Vol. 108, 2015, pp. 25-42
  Mößner, M., and Radespiel, R.
  
• “Numerical Investigation of Engine Effects on a Transport Aircraft with Circulation Control,” AIAA Journal of Aircraft, Vol. 52 No. 2, pp. 421-438, 2015, ISSN: 0021-8669
  Keller, D., and Rudnik, R.
  
• “The cumulant lattice Boltzmann equation in three dimensions: Theory and validation,” Computers & Mathematics with Applications, Volume 70, Issue 4, pp. 507-547, ISSN 0898-1221 (2015)
  M. Geier, M. Schönherr, A. Pasquali, M. Krafczyk
  
• “Active flow control for high lift with steady blowing”. The Aeronautical Journal, Vol. 120, pp. 171-200, 2016
  Radespiel, R., Burnazzi, M., Casper, M., and Scholz, P.
  
• “Design Considerations for an Electrical Machine Propelling a Direct Driven Turbo Compressor for Use in Active High-Lift Systems,” In Proceedings: ESARS itec 2016,Toulouse, France, 2016
  Narjes, G.; Müller, J.; Kauth, F.; Seume, J.; Mertens, A.; Ponick, B.
  
• “Identification of Material Parameters for the Simulation of Acoustic Absorption of Fouled Sintered Fiber Felts,” Materials, 9, 709, 2016
  Lippitz, N.; Blech, C.; Langer, S.; Rösler, J.
  
• “Investigation of Aeroelastic Effects of a Circulation Controlled Wing,” Journal of Aircraft, Volume 53, Number 6, Pages 1746-1756, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2016
  Sommerwerk, K.; Krukow, I.; Haupt, M. C. & Dinkler, D.
  
• “Numerical Investigations of Aerodynamic Properties of a Propeller Blown Circulation Control System on a High Wing Aircraft,” CEAS Aeronautical Journal, Vol. 7 No. 3, pp. 441-454, 2016, Springer-Verlag
  Keller, D., and Rudnik, R.
  
• “Reduced-order modelling of the flow around a high-lift configuration with unsteady Coanda blowing”. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 800, pp. 72-110, 2016
  Semaan, R., Kumar, P., Burnazzi, M., Tissot, G., Cordier, L., and Noack, B. R.
  
• “Structural integrated sensor and actuator systems for active flow control,” SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health, 2016
  Behr, C., Schwerter, M., Leester-Schädel, M., Wierach, P., Dietzel, A., and Sinapius M.
  
• “Surface-Passive Pressure Sensor by Femtosecond Laser Glass Structuring for Flip-Chip-in-Foil Integration,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 25, no. 3, pp. 517–523, 2016
  Schwerter, M.; Gräbner, D.; Hecht, L.; Vierheller, A.; Leester-Schädel, M.; Dietzel, A.
  
• “Extremely Deformable Morphing Leading Edge: Optimization, Design and Structural Testing,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 29, 5 (2017)
  Rudenko, A., Hannig, A., Monner, H.P., Horst, P
  
• “Flow Simulations over Porous Media – Comparisons with Experiments”, Computers & Fluids, Volume 154, 2017, pp. 358-370
  Mößner, M., and Radespiel, R.
  
• “Structural Dynamic Influence of an UHBR Engine on a Coanda Wing,” International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics - IFASD, Como, Italy, 2017
  Müller, T.S. and Hennigs, H.
  
• “Wake characterization methods of a circulation control wing”. Experiments in Fluids, Vol. 58, 2017
  El Sayed M. Y., Semaan, R., Sattler, S., and Radespiel, R.
  
• “Waterproof sensor system for simultaneous pressure and hot-film flow measurements,” Sensors and Actuators A, Vol. 257, pp. 237–244, 2017
  Schwerter, M.; Leester-Schädel, M.; Dietzel, A.
  
• "An optimal configuration of an aircraft with high lift configuration using surrogate models and optimization under uncertainities,” Advances in Structural and Multidisciplinary Optimization, Schumacher, A., Vietor, Th., Fiebig, S., Bletzinger, K.-U, Maute, K. (Eds.), Springer International Publishing, Switzerland, 2018, pp. 375-389
  Rang, J. and Heinze, W.
  
• “Adaptive Nonlinear Flight Control of STOL-Aircraft Based on Incremental Nonlinear Dynamic Inversion,” AIAA Paper 2018-3257, 2018
  Beyer, Y., Kuzolap, A., Steen, M., Diekmann, J. H., Fezans, N.
  
• “Bayesian Calibration of Volume Averaged RANS Model Parameters for Turbulent Flow Simulations Over Porous Materials,” In: New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XI (pp. 479-488). Springer, Cham, 2018
  Kumar, P., Friedman, N., Zander, E., & Radespiel, R.
  
• “Engine Airframe Integration Sensitivities for a STOL commercial Aircraft Concept with Over-the-Wing Mounted UHBR-Turbofans”, GPPS-2018-109, Global Power and Propulsion Society Forum 2018, May 7-9, 2018
  Heykena, C., Savoni, L., Friedrichs, J., and Rudnik, R.
  
• “Evaluation of Ultra-High Bypass Ratio Engines for an Over-Wing Aircraft Configuration”, JGPPS-00035-2017-02, Journal of the Global Power and Propulsion Society, 2018
  Giesecke, D., Lehmler, M., Friedrichs, J., Blinstrub, J., Bertsch, L., and Heinze, W.
  
• “Influence of engine modeling on structural sizing and approach aerodynamics of a circulation controlled wing,” CEAS Aeronaut J, Volume 9, Number 1, pp. 219-233, 2018
  Sommerwerk, K.; Michels, B.; Haupt, M. C. & Horst, P.
  
• “Investigation of VRANS-model for flow over a porous flat plate with experiments and LES-data, Journal of Porous Media, Vol. 21, No. 5, pp. 471-482, 2018
  Kumar, P., Kutscher, K., Mößner, M., Radespiel, R., Krafczyk, M., and Geier, M.
  
• “Modification of Porous Aluminum by Cold Rolling for Low- Noise Trailing Edge Applications,” Metals, 8, 598, 2018
  Tychsen, J.; Lippitz, N.; Rösler, J.
  
• “Novel Method for the Determination of Eddy Current Losses in the Permanent Magnets of a High-Speed Synchronous Machine,” IEEE International Conference on Electrical Machines (ICEM 2018) Alexandropolis, Greece, 2018
  Narjes, G.; Ponick, B.
  
• “Three-dimensional Design of a Large-displacement Morphing Wing Droop Nose Device,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 29, 16, pp. 3222{3241 (2018)
  Vasista, S., Nolte, F., Monner, H. P., Horst, P., Burnazzi, M.
  
• ”Aircraft Noise Assessment - From Single Components to Large Scenarios”. Energies, 11(2) (429), Seiten 1-25
  Delfs, J.W.; Bertsch, L.; Zellmann, Chr.; Rossian, L.; Kian Far, E.; Ring, T.; Langer, S.
  
• "System noise assessment of a tube-and-wing aircraft with geared turbofan engines", Journal of Aircraft Vol. 56, No. 4, 2019, pp.1577-1596
  Bertsch, L., Wolters, F., Heinze, W., Pott-Pollenske and Blinstrub, J.
  
• “A Zonal Noise Prediction Method for Trailing-Edge Noise with a Porous Model,” International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 80, 108469, (2019)
  P. Bernicke, R.A.D. Akkermans, V.B. Ananthan, R. Ewert, J. Dierke, L. Rossian
  
• “Aerodynamic Comparison between Circumferential and Wing- Embedded Inlet Distortion for an Ultra-High Bypass Ratio Fan Stage,” ASME Turbo Expo 2019 in Phoenix, Arizona, USA, June 17-21, 2019, Paper No. GT2019-90425
  Giesecke, D.; Friedrichs, J.
  
• “Multiscale Simulation of Turbulent Flow interacting with Porous Media based on a massively parallel implementation of the Cumulant Lattice Boltzmann Method,” Computers & Fluids, Volume 193
  K. Kutscher, M. Geier, M. Krafczyk
  
• “Numerical prediction of passenger cabin noise due to jet noise by an ultra–high–bypass ratio engine,” Journal of Sound and Vibration, Volume 464 (1), 2019
  C. Blech, C. K. Appel, R. Ewert, J. W. Delfs, S. C. Langer
  
• “Design and experimental characterization of an actuation system for flow control of an internally blown Coanda flap,” Aerospace, 7(3), 29
  Wierach, P., Petersen, J. and Sinapius, M.