Experimentelle Untersuchung von Bodeninteraktion und Zerfall generischer Wirbelschleppen von Verkehrsflugzeugen mit Fokus auf Endanflug und Landevorgang
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der ersten Phase des Forschungsprogramms wurden Experimente durchgeführt, um die Endeffekte verstehen zu können, die nach der Beendigung der Auftriebsproduktion in Wirbelschleppen eintreten. Dazu wurde der Flügel des DLR-F13-Modells bis zum vollständigen Stillstand abgebremst. Die ersten Untersuchungen wurden ohne Einfluss des Bodens durchgeführt und dabei wurden drei verschiedenen Reynolds-Zahlen betrachtet. Das Ziel war, ein besseres Verständnis des Wirbelverhaltens nach der Landung eines Flugzeugs zu erlangen. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere die Axialströmung im Kern der Wirbel durch die Abläufe beim Abbau des Auftriebes signifikant verändert werden. Vor dem Abbremsen folgt die axiale Strömung im Zentrum der Wirbel dem Flügel wie ein Nachlauf. Beim Einsetzen des Auftriebabbaus läuft eine erste Störung im Zentrum des Wirbels entgegen der Bewegungsrichtung des Flügels der Wirbelachse entlang und kehrt die Richtung der axialen Strömung im Wirbel um. Diese beiden axialen Strömungen werden entsprechend als wake-like und jet-like axial flow bezeichnet. Die erste Störung versetzt die axiale Strömung in den jet-like Zustand. Nachdem der Flügel stoppt, entsteht eine zweite Störung, die eine spiralförmige Gestalt hat. Solche Störungen wurden auch in CFD-Studien gefunden. Die experimentellen Daten zeigen, dass die Fortschrittsgeschwindigkeit dieser Störungen entlang der Wirbelachse mit der Reynolds-Zahl bzw. der Magnitude der Zirkulation zusammenhängt. Während die Störungen sich entlang der Wirbelachse bewegen, nehmen ihre Geschwindigkeiten ab und sie lösen sich schließlich auf. Das Passieren dieser Störungen kann durch mehrere Veränderungen in der Wirbelkernregion festgestellt werden, hauptsächlich anhand der Richtung der axialen Geschwindigkeit bzw. mit weniger drastischen Änderungen in der Tangential- und Radialgeschwindigkeit. Während diese Störungen den Wirbelzerfall im fernab des Bodens zwar nicht unmittelbar beschleunigen, beeinträchtigen sie die weitere Entwicklung der Wirbel. In den nachfolgenden Experimenten reproduzierten wir eine vereinfachte Landetrajektorie mit einem Modell mit veränderbarem Anstellwinkel. Die Messergebnisse zeigen das Eintreten von Ground- Linking eindeutig, d.h. die beiden Tragflügelspitzenwirbel verbinden sich zunächst mit dem Boden anstatt zu zerfallen. Die Höhe über dem Boden, in welcher der Flügel zum Stillstand kommt, wurde systematisch variiert. Außerdem wurde der Einfluss der Verzögerungsrate auf die Vorgänge untersucht. Zusammenfassend zeigt die Analyse, dass die Zeit, die die Wirbel benötigen, um sich mit dem Boden zu verbinden, mit zunehmender Entfernung über dem Boden zunimmt und die Wirbel dann am Boden unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Insbesondere wurden zwei Extremfälle verglichen: Anhalten in einem Bodenabstand einer einzelnen Profiltiefe und in sechsfacher Profiltiefe. Bei Ersterem hefteten sich die Tragflügelspitzenwirbel sofort an den Boden an, während bei letzterem die beiden Tragflügelspitzenwirbel sich zunächst miteinander verbanden und ein Hufeisenwirbel bildeten. Dieses System näherte sich dem Boden an und nach einem lokalen Auseinanderfallen heftete sich die Wirbelschleppe doch wieder an den Boden. In einer nachfolgenden Versuchsreihe wurde langsames und schnelles Abbauen des Auftriebs miteinander Verglichen, indem unterschiedliche Verzögerungsraten für das Abbremesen verwendet wurden. Bei der langsamen Bremsung braucht der Wirbel länger, um sich nach dem Anhalten zu konsolidieren, und hat dann eine geringere Zirkulation, bevor er sich mit dem Boden verbindet. Im Gegensatz dazu erzeugt ein eher abrupter Auftriebsabbau einen Wirbel, der sich mit großer Zirkulation schnell mit dem Boden verbindet. Außerdem driftet der Wirbel bei langsamer Verzögerung nur leicht ab und bleibt nahzu stehen, während er bei schneller Verzögerung deutlich abdriftet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Verhalten der Wirbel stark von der Abbaurate des Auftriebs und der Endhöhe über dem Boden beeinflusst wird, was in jedem Szenario zu unterschiedlichen Entwicklungsabläufen der Wirbel führt. Ein vertieftes Verständnis dieser Abläufe wird es ermöglichen, die Trajektorien der Wirbel vorherzusagen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um ihre Auswirkungen zu mildern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental Investigation of Ground Interaction and Decay of Wake Vortices of a Landing Aircraft, AIAA AVIATION Forum, 17-21 JU- NE 2019 DALLAS, SHAPING THE FUTURE OF FLIGHT
G. Castaneda Fuentes, A. Wolter & S. Grundmann
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Development of Axial Flows in Wake Vortices due to End Effects. AIAA Journal, 60(4), 2223-2240.
Castaneda, Fuentes Gustavo; Hüttmann, Frank & Grundmann, Sven
