Untersuchung der dreidimensionalen dynamischen Strömungsablösung an Rotorblättern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ewald Krämer; Dr. Holger Mai
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250992397

Der Flugbereich moderner Hubschrauber wird im schnellen Vorwärts- und hochbelasteten Manöverflug primär durch dynamische Strömungsablösung (Dynamic Stall) am Rotorblatt begrenzt. Dieses komplexe, hochgradig instationäre und dreidimensionale Phänomen tritt auf, wenn eine Tragfläche oder ein Rotorblatt kurzzeitig über den maximalen Anstellwinkel, bei dem im statischen Fall Strömungsablösung auftreten würde, hinaus angestellt wird. Es kommt dabei an der Vorderkante des Rotorblatts zur Ausbildung starker Wirbel, die über das Rotorblatt abschwimmen und eine starke Auftriebs- und Nickmomentenüberhöhung bewirken. Die auftretenden Lastschwankungen und Vibrationen übersteigen statische Maximalwerte deutlich, weshalb die zuverlässige Vorhersage und ein tiefgehendes Verständnis des Phänomens von großer Bedeutung ist.Im Vorgängerprojekt wurde Dynamic Stall am DLR Göttingen experimentell an einer schwingenden Rotorblattspitze und an einem Zweiblattmodellrotor untersucht, und am IAG wurden komplementäre CFD-Simulationen durchgeführt. Aufbauend auf den dabei erlangten Erkenntnissen soll das Phänomen nun an einem Vierblatt-Rotor mit realistischer, doppelt gepfeilter Blattspitzengeometrie in Schwebe- beziehungsweise Steigflugkonfiguration unter Berücksichtigung der Strukturverformungen untersucht werden. Die Experimente erfolgen erneut am im Vorgängerprojekt verwendeten Rotorversuchsstand beim DLR Göttingen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung des Einflusses der neuartigen Blattspitze sowie der Wechselwirkung des Phänomens mit dem strukturdynamischen Verhalten des Rotorblatts. Um den Einfluss der Strukturdynamik – der sich im Vorgängerprojekt als nicht zu vernachlässigen herausgestellt hat – auch in der Simulation zu erfassen, muss die numerische Prozesskette um eine Fluid-Struktur-Kopplung erweitert werden, wobei am IAG auf etablierte Kopplungsmethoden zwischen dem Strömungslöser FLOWer und den Strukturlösern CAMRADII, angewandt bei Hubschrauber, oder SIMPACK, bisher angewandt bei Windkraftanlagen, zurückgegriffen werden kann. Des Weiteren werden auf Simulationsseite der hybride RANS/LES-Ansatz, der bei massiv abgelöster Strömung deutlich bessere Ergebnisse liefert aber neue numerische Schwierigkeiten mit sich bringt, weiter verbessert und zusätzlich laminar-turbulente Transition mitberücksichtigt.Das enge Zusammenspiel zwischen Experiment und Simulation ermöglicht dabei die Validierung der numerischen Methoden, einen Erkenntnisgewinn hinsichtlich der erforderlichen Modellierungstiefe und somit auch die Ableitung von „best practice“-Richtlinien. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Hubschrauberkonfigurationen zu verbessern, soll auch eine Simulation des Rotors in Vorwärtsflugkonfiguration erfolgen, bei der Einblick in andere Dynamic Stall-Mechanismen, etwa durch Blatt-Wirbel-Interaktion ausgelöst, erlangt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen