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

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das von Flugzeugen erzeugte Wirbelnachlauffeld rollt sich zu zwei gegensinnig rotierenden geraden Randwirbeln auf, sie verformen sich mit zunehmendem Alter durch gegenseitige Beeinflussung und zerfallen später in einzelne Wirbelringe. In bisherigen Simulationen von Wirbelschleppeneinflügen wurde die Alterung der Wirbel lediglich durch abnehmende Wirbelstärke berücksichtigt aber kaum durch geometrische Verformung der Wirbelachsen. Diese Verformungen können aber einen deutlichen Einfluss auf die Störungen des einfliegenden Flugzeugs haben. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Methode zur Risikoanalyse von Einflügen in gewellte Wirbelschleppen und Ringwirbel. Diese Methode ermöglicht, den Einfluss der Wirbelverformung auf die Wahrscheinlichkeit gefährlicher Wirbeleinflüge zu untersuchen und zu bewerten. Für diese Untersuchungen wurden Schnellzeitsimulationsmodelle für Einflüge in verformte Wirbelschleppen aus Echtzeitsimulationsmodellen abgeleitet und durch Pilotenmodelle ergänzt, die mit Daten aus Flugsimulatorversuchen entwickelt wurden. Mit Hilfe von Massensimulationen wurden Parameterstudien, Risikoanalysen und Worst-Case-Untersuchungen durchgeführt. Zur Simulation von Einflügen in gewellte Wirbelschleppen und Ringwirbel, wurden vorhandene Wirbelmodelle um parametrische Modelle für die Wirbelverformung sowie um Windfelder aus Large-Eddy-Simulationen (LES) erweitert. Die Modelle und die entsprechenden Berechnungsalgorithmen wurden so implementiert, dass sie in Echtzeit- und Schnellzeitsimulationen verwendet werden können. Dabei wurden erstmals instationäre Effekte basierend auf der Küssner-Funktion in die Berechnung der auf das einfliegende Flugzeug wirkenden Kräfte und Momente integriert. Die analytischen Modelle zur Beschreibung der geometrischen Wirbelverformung eignen sich grundsätzlich gut für die Simulation von Wirbelschleppeneinflügen. Wird gleichzeitig auch eine Anpassung der Zirkulation vorgenommen, werden die wichtigsten Einflüsse der Wirbelalterung abgebildet. Bekannte Modelle für die Abnahme der Zirkulationsstärke über der Zeit sind dafür ungeeignet, da sie die Wirbelverformung meist schon implizit berücksichtigen. Sie führen zu einer Unterschätzung der Gefährdung. Wird die Zirkulationsstärke nicht angepasst ergibt sich ein steigendes Risiko für Einflüge in gewellte Wirbel (Überschätzung). Für die analytischen Ansätze ist deshalb ein physikalisch interpretierbarer, funktionaler Zusammenhang notwendig, der die Zirkulation und eventuell auch den Kernradius in Abhängigkeit des Wirbelalters und der lokalen Verformung eindeutig beschreibt. Hier besteht noch Forschungsbedarf. Die weiterentwickelte Wirbelschleppensimulation wurde durch Einflüge in gewellte Wirbel und Ringwirbel mit Linienpiloten im Forschungssimulator des Fachgebietes validiert. Die Ergebnisse der Flugsimulatorversuche ließen bereits Zweifel an der gängigen Annahme aufkommen, dass wellige Wirbelschleppen durchfliegende Flugzeuge weniger stören als gerade Wirbel. Allerdings erzeugten Einflüge in Wirbelringe deutlich niedrigere Rollstörungen. Die Massensimulationen von mehr als 120 Millionen Wirbelschleppeneinflügen bestätigten diese Beobachtungen und lieferten weitere Erkenntnisse. Aufgrund der Wirbelverformung kommt es im gewellten Stadium zu einzelnen Einflügen mit größeren Störungen der Rollachse im Vergleich zu geraden Wirbeln, wobei die Wahrscheinlichkeit hoher Ablagen des Hängewinkels mit steigendem Wirbelalter aber allgemein sinkt. Wirbelringe sind in allen simulierten Fällen stets weniger gefährlich als gerade Wirbel. Das grundsätzlich niedrigere Wirbelschleppenrisiko bietet Potential die Staffelungsabstände zu reduzieren. Dabei ist jedoch zu beachten, dass von gewellten Wirbeln in sehr seltenen Einzelfällen eine erhöhte Gefahr ausgehen kann und dass große Ablagen bei anderen Einflugbedingungen auftreten können als bei geraden Wirbeln. Die im Projekt VERA-C entwickelten Methoden und Werkzeuge sind geeignet, Sicherheitsanalysen zur Reduktion von Staffelungsabständen zu unterstützen und liefern somit einen Beitrag, die Kapazität und damit auch die Wirtschaftlichkeit des Luftverkehrs bei gleichbleibendem Sicherheitsniveau zu erhöhen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2019) Impact of Wake Vortex Deformation on Aircraft Encounter Hazard. Journal of Aircraft 56 S. 800–811
  Kaden, A.; Luckner, R.
  
• Modeling and Simulation of Wake Vortex Encounters: State-of-the-Art and Challenges, AIAA-2012-4633, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference, Minneapolis, Minnesota, Aug. 13-16, 2012
  Luckner, R.
  
• Simulation of Aircraft Encounters with Perturbed Vortices Considering Unsteady Aerodynamic Effects, AIAA-2012-4657, AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, Minneapolis, Minnesota, Aug. 13-16, 2012
  Bieniek, D., Luckner, R.
  
• Comparison of Simplified and Advanced Approaches for Simulation of Encounters with Perturbed Wake Vortices, DLRK2013-301164, 62. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Stuttgart, Sept. 10-12, 2013
  Bieniek, D., Luckner, R., De Visscher, I., Winckelmans, G.
  
• Simulation of Aircraft Encounters with Perturbed Vortices Considering Unsteady Aerodynamic Effects, Presentation at the “WakeNet-Europe Workshop 2013”, Bonneuil -sur- Marne, France, May 15-16, 2013
  Bieniek, D.
  
• Investigation of Encounters with Deformed Wake Vortices using a Monte-Carlo Simulation Methodology, AIAA-2014-2334, 6th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference, Atlanta, Georgia, Jun. 16-20, 2014
  Bieniek, D., Luckner, R.
  
• Simulation of Aircraft Encounters with Perturbed Vortices Considering Unsteady Aerodynamic Effects, Journal of Aircraft, Vol. 51, No. 3 (2014), pp. 705-718
  Bieniek, D., Luckner, R.
  
• Sensitivity Analysis of Aircraft Encounters with Deformed Wake Vortices, AIAA-2015-3175, 7th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference, Dallas, Texas, Jun. 22-26, 2015
  Bieniek, D., Luckner, R.
  
• Simulation Methods for Aircraft Encounters with Deformed Wake Vortices, Journal of Aircraft, Vol. 53, No. 6 (2016), pp. 1581-1596
  Bieniek, D., Luckner, R., De Visscher, I., Winckelmans, G.