Der Einfluss von Turbulenz auf die Strömungsstrukturen und Lasten an Profilen und Flügeln bei kleinen Reynoldszahlen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Rainer Hain
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262029165

Micro Air Vehicle (MAVs) sind kleine (< 0,5 m), ferngesteuert oder autonom fliegende Flugzeuge, die sich mit kleinen Geschwindigkeiten (< 10 m/s) bewegen. Sie sollen Aufgaben wie z. B. Überwachung, Unterstützung bei Suche und Rettung oder die Bereitstellung von Kommunikationsstützpunkten übernehmen. Während dieser Missionen verbringen MAVs lange Zeiten in der untersten Schicht der Atmosphäre, der sogenannten atmosphärischen Grenzschicht (ABL), in der sie stabil fliegen sollen. Obwohl die Vorteile und der Nutzen von MAVs ersichtlich sind, bestehen in ihrer Weiterentwicklung Probleme durch ein fehlendes Verständnis der Strömungsdynamik in ihrem Flugbereich. Die Strömung in der ABL kann sehr komplex und instationär sein. Die Interaktion der Luftströmung mit Geländeunebenheiten oder Hindernissen oder auch thermische Effekte führen zu einer hohen Turbulenz.Charakterisiert wird die Turbulenz durch ihre Intensität sowie ihre Längenskala. Turbulenzintensitäten von bis zu 30% und Längenskalen von weniger als einem Meter bis zu mehreren Metern wurden in ABLs beobachtet. MAVs werden im Flug den Effekten kleiner Reynoldszahlen (durch ihre Größe und Fluggeschwindigkeit) und Turbulenzintensitäten ausgesetzt. Um MAVs unter diesen Situationen flugfähig zu machen, ist das Verständnis des Einflusses der großskaligen Turbulenz auf die Strömung um Profile und Flügel bei relevanten Reynoldszahlen unabdingbar.Moderne Messtechniken sollen daher eingesetzt werden, um die momentane sowie statistische Interaktion zwischen der Turbulenz und der Strömung am Profil/Flügel bei verschiedenen Turbulenzsituationen zu untersuchen. Für die Profile werden simultane Messungen der Oberflächendrücke sowie des Strömungsfeldes mit Hilfe der PIV durchgeführt, um den Einfluss der Turbulenz auf die Kräfte und Momente zu analysieren. Bei den Flügeln werden simultane Messungen des Strömungsfeldes sowie der Kräfte und Momente durchgeführt, um integrale Informationen zu erhalten. Detaillierte Vergleiche zwischen den Messungen in Verbindung mit den Anströmbedingungen werden den Einfluss der Turbulenzen auf die Strömungsstrukturen und Belastungen an dem Profil/Flügel aufzeigen. Die erzielten Ergebnisse werden detaillierte Erkenntnisse über die Strömungsphysik an Profilen und Flügeln unter verschiedenen Turbulenzbedingungen ergeben. Diese Erkenntnisse sind von fundamentalem Interesse für die Entwicklung von Regelsystemen für MAVs und Mechanismen zur aktiven Strömungsbeeinflussung, die in Zukunft zur Leistungssteigerung von MAVs unter den genannten Bedingungen eingesetzt werden könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Christian Joachim Kähler; Dr. Sridhar Ravi