Studien zur Entwicklung massiv abgelöster Nachläufe an Verkehrsflugzeugen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das DFG-Projekt verfolgte das übergeordnete Ziel, den Kenntnisstand hinsichtlich der strömungsphysikalischen Mechanismen der Entwicklung massiv abgelöster Nachlaufströmungen von Verkehrsflugzeugen und deren Wechselwirkung mit dem Leitwerk zu verbessern. In der zweiten Projektphase wurde der Fokus auf das Ablöseverhalten bei beginnender Strömungsablösung im Low-Speed-Stall gesetzt. Aufbauend auf den Untersuchungen vollständig abgelöster Strömung der ersten Projektphase wurde daher ein nach unten erweiterter Anstellwinkelbereich betrachtet in dem hybride RANS/LES Simulationen am NASA Common Research Model (CRM) durchgeführt wurden. Zusätzlich wurden die Einflüsse der Windkanalaufhängung sowie des Leitwerks-Einstellwinkels auf die Nachlaufströmung und die Leitwerkslasten betrachtet. Die Untersuchungen zum Einstellwinkeleinfluss des Leitwerks zeigten, dass eine Erhöhung des Leitwerkseinstellwinkels zu einer Verschiebung des Nachlaufs nach oben führt. Dadurch trifft stärker durch die untere Scherschicht geprägte, anisotropere Turbulenz auf das Leitwerk. Ein Einfluss der veränderten Anströmturbulenz auf die Leitwerkslasten konnte allerdings nicht detektiert werden. Die Leitwerkslasten sind bei erhöhtem Einstellwinkel maßgeblich durch Strömungsablösung an der Leitwerksoberseite beeinflusst. Darüber hinaus führt eine Erhöhung des Einstellwinkels zu einer stärkeren Saugspitze, die eine größere Sensitivität des Leitwerksauftriebs gegenüber der Anströmturbulenz verursacht. Somit treten höhere dynamische Lasten, auch in Bereichen anliegender Strömung auf. Die Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Windkanalaufhängungen zeigten, dass für die detaillierte Analyse der Nachlauf-Leitwerksinteraktion einer Windkanalkonfiguration sowohl im High- als auch im Low-Speed Stall die Windkanalaufhängung im Bereich des Flugzeughecks in das numerische Setup integriert werden sollte, da der Verdrängungseffekt der Windkanalaufhängung die Strömung im Leitwerksbereich ablenkt und somit die Leitwerksanströmung sowie die Leitwerkslasten beeinflusst. Für die Untersuchungen beginnender Strömungsablösung am CRM wurde ein hybrides RANS/LES Setup verifiziert und im Post-Stall am CRM sowie bei druckinduzierter Strömungsablösung am NACA 643418-Profil mittels experimenteller Daten validiert. Unter diesen Voraussetzungen konnten strömungsphysikalische Analysen im Nachlauf durchgeführt und grundlegende Erkenntnisse bezüglich beginnender Strömungsablösung am Pfeilflügel, sowie der Nachlauf-Leitwerks-Interaktion gewonnen werden. Es zeigte sich, dass die Strömung im Bereich der Flügelspitze beginnt abzulösen und sich der Ablösebereich mit zunehmendem Anstellwinkel nach innen ausweitet. Das Ablösegebiet wird innen von einem von der Flügeloberfläche abgehenden Wirbel begrenzt, der ebenfalls mit zunehmendem Anstellwinkel in Richtung Rumpf wandert. Dieser Wirbel sowie der Flügelrandwirbel dominieren die Nachlaufströmung und führen zu einer spannweitigen Deformation des Nachlaufs sowie dessen dreidimensionaler Durchmischung. Es zeigte sich, dass der abgelöste Nachlauf von großskaligen Schwankungen, ähnlich einer von Kármán’schen Wirbelstraße dominiert wird. Die dominanten Frequenzen waren auch bei beginnender Strömungsablösung vergleichbar mit denen der Umströmung stumpfer Körper. Ab einem Anstellwinkel von ca.14° beginnt der turbulente Flügelnachlauf auf die Leitwerksspitze zu treffen, wo durch die Rotationsbewegung des inneren Wirbels ein Abwind induziert und somit der Auftrieb reduziert wird sowie die dynamischen Leitwerkslasten durch die Nachlaufturbulenz erhöht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Separated Wake Flow und Tail Loads of the Common Research Model in Low Speed Stall Conditions", AIAA Scitech 2019 Forum, AIAA 2019-2315
Waldmann, A., Lutz, T. and Krämer, E.
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"Unsteady Wake and Tailplane Loads of the Common Research Model in Low Speed Stall", in New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XII, Springer Nature Switzerland AG, 2019
Waldmann, A., Konrath, R., Lutz, T. and Krämer, E.
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“Flow Separation and Wake of the Common Research Model at Low Mach Numbers”. Proc. AVT-307 Research Symposium, Trondheim, 2019
Ehrle, A.M., Waldmann, A., Lutz, T., and Krämer, E.
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Simulation of transonic buffet with an automated zonal DES approach. CEAS Aeronautical Journal, 11(4), 2020, 1025-1036
Ehrle, M., Waldmann, A., Lutz, T., & Krämer, E.
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“An Automated Zonal Detached Eddy Simulation Method for Transonic Buffet.” In: Hoarau, Y., Peng, SH., Schwamborn, D., Revell, A., Mockett, C. (eds) Progress in Hybrid RANS-LES Modelling. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, vol 143. Springer, Cham, 2020
Ehrle, M.C., Waldmann, A., Lutz, T. and Krämer, E.
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“Influence of the Wind Tunnel Model Mounting on the Wake Evolution of the Common Research Model in Post Stall”. In STAB/DGLR Symposium 2020 (pp. 3-13). Springer, Cham
Ehrle, M., Waldmann, A., and Lutz, T.
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„Computational studies of massively separated wake flows of transport aircraft“ Dissertation, Universität Stuttgart, 2021
Waldmann, A.
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“Flow separation and wake of a transport aircraft configuration at beginning stall“ Proc. EUCASS-3AF Conference, Lille, 2022
Ehrle, M. Lutz, T. and Krämer, E.
