Untersuchung der dreidimensionalen dynamischen Strömungsablösung an Rotorblättern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Auf Seiten des IAG wurde zunächst die numerische Prozesskette der Detached-Eddy-Simulation (DES) im Strömungslöser FLOWer verbessert. Der Fokus lag hierbei auf der Entwicklung und Untersuchung von verbesserten Verfahren, die den Umschaltvorgang vom RANS- in den LES-Modus steuern, um das Problem der gitterinduzierten Ablösung zu verhindern. Unerwartet im Projektverlauf war, wie schwierig sich dies bei komplexen Rotorströmungen gestaltete. Die neuartigen Ansätze, die auf unterschiedlichen numerischen und physikalischen Grundlagen basieren, lieferten letztendlich jedoch bei allen Testfällen unterschiedlichster Komplexität ein korrektes Umschalten, das heißt, dass anliegende Grenzschichtströmungen vollständig im RANS-Modus und nur stark abgelöste Strömungen im LES-Modus behandelt werden. Somit ist auch bei zukünftig immer feiner werdenden Rechengittern die sichere Anwendung einer DES möglich. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass eine scherschichtadaptive Filterweite im LES-Gebiet eine frühere und damit deutlich realistischere Ausbildung von Strömungsinstabilitäten nach Ablösung ermöglicht, was bei zukünftigen Simulationen zur effektiven Verminderung des Grey-Area-Problems eingesetzt werden kann. Zur gekoppelten CFD/CSD-Simulation des DLR-Rotors wurde basierend auf statischen Deformationsmessungen des DLR ein Strukturdynamikmodell für den Hubschraubercode CAMRAD II aufgebaut. Obwohl hierbei einige Vereinfachungen gegenüber dem realen Modell getroffen wurden, konnte insgesamt eine zufriedenstellende Übereinstimmung hinsichtlich der Lasten und der Blattspitzendeformation erzielt werden, was diese Art der nun gut dokumentierten Modellerstellung für weitere Rotorblätter qualifiziert. Beim untersuchten Dynamic-Stall-Fall zeigte sich ein Ablöseverhalten, das sich deutlich von dem an einem konventionellen Rotorblatt unterscheidet, da die Doppelpfeilung die klassische Entwicklung und Ausbreitung des Dynamic-Stall-Wirbels unterdrückt und es eher zu einem Nachinnenwandern des Randwirbels kommt. Auf Seiten des DLR wurde ein qualitativ hochwertiges und erkenntnisreiches Experiment mit doppelt gepfeilter Blattspitze durchgeführt und ausgewertet. Vor allem der Erkenntnisgewinn in Bezug auf das elastische Deformationsverhalten und den strömungsmechanischen Ablöse- und Wiederanlegevorgang ist als guter Fortschritt anzusehen. Im Projektverlauf traten während der Versuchsvorbereitung und im Experiment selbst einige Schwierigkeiten und Herausforderungen auf. Zum einen gestaltete sich die strukturelle Auslegung und der Modellbau als durchaus kompliziert, da die Modellgröße in Kombination mit der innovativen Planform und der hohen Rotordrehzahl selbst hochfeste Materialien wie kohlefaserverstärkte Kunststoffe an ihre Belastungsgrenze bringen. Auch die Implementierung einer Messmethode wie den Blattwurzel-DMS in ein rotierendes System erwies sich als herausfordernd, da sämtliche Kräfte aus der Rotation die Messtechnik beeinflussen. In der Auswertung gestaltete es sich schwierig, eine stabile Auswerteroutine für optische Messverfahren wie die Blattspitzenkamera zu entwickeln. Schlussendlich konnten jedoch alle Herausforderungen im Projekt zufriedenstellend gelöst und gute Ergebnisse im Bezug auf Datenaufzeichnung und Auswertung erzielt werden. Durch die Experimente hat sich gezeigt, dass der elastische Deformationsverlauf (Durchbiegung) eine Nichtlinearität im Abnickvorgang aufweist. Auf Basis des Spektrums der Deformationsdaten konnte festgestellt werden, dass die 1/rev- und 2/rev-Anteile des Rotors primär an der elastischen Blattdeformation beteiligt sind. Zudem konnte anhand der Drucksensordaten ein radial phasenverschobener Ablöse- und Wiederanlegeprozess der Strömung gezeigt werden. Die gewonnenen Daten wurden, wie in diesem Abschlussbericht gezeigt, bereits erfolgreich zur Validierung einer FLOWer/CAMRAD II-Simulation herangezogen und sind somit für die Weiterentwicklung der numerischen Prozesskette von essentiellem Wert. Im Weiteren ist die Verwendung zur Validierung anderer gekoppelter Simulationen oder auch generell Rotorcodes denkbar. Zudem geben die Daten einen guten Einblick in die physikalische Phänomenologie des Dynamic Stalls und lassen erste Rückschlüsse auf den Planformeinfluss zu.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development of an innovative double-swept rotor blade tip for the rotor test facility goettingen. In DLRK 2018 - Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, September 2018
Martin Michael Müller, Till Schwermer, Holger Mai, and Christian Stieg
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Assessment of delayed detached-eddy simulation of dynamic stall on a rotor. In Yannick Hoarau et al., editors, Progress in Hybrid RANS-LES Modelling, 2020
Johannes Letzgus, Pascal Weihing, Manuel Keßler, and Ewald Krämer
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Development of alternative shielding functions for detached-eddy simulations. In Yannick Hoarau et al. editors, Progress in Hybrid RANS-LES Modelling, 2020
Pascal Weihing, Johannes Letzgus, Thorsten Lutz, and Ewald Krämer
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Dynamic stall computations of double-swept rotor blades. In Andreas Dillmann et al. editors, New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XII, 2020
Kurt Kaufmann, Martin M. Müller, and Anthony D. Gardner
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Simulation of dynamic stall on an elastic rotor in high-speed turn flight. Journal of the American Helicopter Society, 65(2):1–12, 2020
Johannes Letzgus, Manuel Keßler, and Ewald Krämer
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High-Fidelity Simulation of Dynamic Stall on Helicopter Rotors. PhD thesis, University of Stuttgart, 2021
Johannes Letzgus
