Methode zur Risikoanalyse für Einflüge in gekrümmte Wirbelschleppen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Luckner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Verkehrs- und Transportsysteme, Intelligenter und automatisierter Verkehr
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 179299766

Für Risikoanalysen und Gefährdungsuntersuchungen von Wirbelschleppeneinflügen wurde bisher fast ausschließlich das vereinfachte Modell zweier gegensinnig rotierender gerader Wirbel angewendet. In der Realität entwickeln alternde Wirbelschleppen aber eine wellige Deformation, die abhängig von den atmosphärischen Bedingungen zum Zerfall in einzelne Wirbelringe führen kann. Die Auswirkungen dieses Effekts wurden bisher fast immer vernachlässigt. Für die Bewertung reduzierter minimaler Staffelungsabstände und neuartiger Verfahren zur effektiven Nutzung des Luftraums, müssen aber alle Mechanismen, welche die Gefährdung nachfolgender Flugzeuge durch Wirbelschleppen beeinflussen, betrachtet werden. Ziel des Vorhabens ist es, den Einfluss der Wirbelverformung auf die Gefährdung eines in die Wirbelschleppe einfliegenden Flugzeuges zu untersuchen, und eine Methode zu entwickeln, mit der die Wirbeldeformation in Sicherheitsanalysen berücksichtigt werden kann. Die zentrale Hypothese ist dabei, dass die Deformation der Wirbelachsen das Risiko reduziert und somit zu einer sicheren Reduktion der allgemein als konservativ eingestuften minimalen Staffelungsabstände beitragen kann. Die Arbeiten des Vorhabens liefern damit einen wichtigen Beitrag zum aktuellen Forschungsziel, Lösungen für das vor allem an Großflughäfen steigende Kapazitätsproblem zu finden. In den vergangenen Förderperioden wurden bereits wichtige Teilziele des Vorhabens erreicht. So wurden Simulationsmodelle der verformten Wirbel für Echt- und Schnellzeitanwendungen aus 3D-Windfeldern entwickelt, die mit Grobstruktursimulationen des Wirbelzerfalls berechnet wurden. Diese bieten aktuell die höchste Genauigkeit bei der Simulation von Einflügen in Wirbelschleppen. Sie wurden eingesetzt, um den Einfluss der Wirbeldeformation auf die Gefährdungsbewertung von Piloten zu untersuchen, und um erste Monte-Carlo-Simulationen (MCS) von Wirbelschleppeneinflügen während des Landeanfluges durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass für eine Bewertung des Einflusses der Wirbeldeformation auch der Ort des Einfluges in die Wirbelschleppe in axialer Richtung als zusätzlicher Parameter berücksichtigt werden muss. Im Rahmen der beantragten Verlängerung sollen die Arbeiten mit der Bewertung der Hypothesen des Vorhabens abgeschlossen werden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass sich die Wirbelverformung mittels einfacher Modelle gut beschreiben lässt. Forschungsbedarf besteht noch beider Anpassung der Wirbelstärke mit steigendem Wirbelalter, da anerkannte Modelle bisher nur eine 'globale' Wirbelstärke betrachten, aber hier die 'lokale' Wirbelstärke benötigt wird. Durch Vergleiche zu Einflügen in die genaueren - aber aufwendiger zu berechnenden 3D-Windfelder - sollen die Wirbelmodelle validiert werden. Den Kern der Arbeiten bilden MCS mit deutlich höherer Anzahl an simulierten Wirbeleinflügen als bisher und deren Analyse, die zur Beantwortung der zentralen Frage dient: Sind verformte Wirbel ungefährlicher als gerade?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen