Characteristics of fluid structure interactions due to leading edge vortex systems impact
Final Report Abstract
Im Rahmen des DFG-Projekts „Charakteristiken von Strömungs-Struktur-Interaktionen bei Einwirkung von Vorderkantenwirbelsystemen“ wurde die Wechselwirkung zwischen instationärer Wirbelströmung und elastischen Flugzeugstrukturen systematisch untersucht. Ziel war es, das sogenannte Flügel- und Leitwerks-Buffeting, im Falle der durch das Aufplatzen von Vorderkantenwirbeln verursachten, dynamischen Strukturanregung, besser zu verstehen und vorherzusagen. Hierzu wurde ein modular aufgebautes Windkanalmodell entwickelt, an das sowohl starre als auch elastische Flügel- und Leitwerkskomponenten angebracht werden können. Durch umfassende experimentelle Messungen im Windkanal sowie komplementäre numerische Simulationen konnte die Position des Aufplatzens der Wirbel und die stromab resultierenden Frequenzinhalte der Druckfluktuationen sowie die dynamischen Strukturantworten detailliert erfasst werden. Ein zentraler Fortschritt bestand darin, den Einfluss elastischer und dynamischer Verformungen auf die Position des Wirbelaufplatzens und die stromab resultierenden Druckfluktuationen mit den charakteristischen Frequenzen nachzuweisen. Die elastischen Komponenten führen in Bezug auf die Vorderkantenwirbelausbildung zu einem reduzierten adversen Druckgradienten und damit zu einer Verschiebung des Wirbelaufplatzbereichs weiter stromab. Dies beeinflusst die aerodynamische Anregung und ermöglicht eine gezieltere Gestaltung künftiger Flugzeugkonfigurationen mit reduzierter dynamischer Strukturantwort. Bisherige im industriellen Entwurfsprozess sowie der Nachweisführung eingesetzten Berechnungsmethoden nutzen die an „starren“ Windkanalmodellen gewonnenen Erregerkräfte (Oberflächendruckschwankungen) als Eingangsgrößen für die strukturdynamische Analyse, d.h. ohne Rückkopplung der Strukturantwort auf die Erregerkräfte. Besonders relevant ist daher, dass numerische Simulationen unter Berücksichtigung der Strukturantwort (Fluid-Struktur-Interaktion, FSI) die experimentellen Ergebnisse deutlich besser abbilden. Dies hat zentrale Bedeutung für die Anpassung effizienter und zuverlässiger Entwurfswerkzeuge, ggf. unter Einbeziehung von geeignet trainierten Modellen reduzierter Ordnung zur Lastenermittlung. Im Projektverlauf ergab sich insbesondere, dass die Kombination der Elastizitäten der einzelnen Flügel- bzw. Leitwerkskomponenten bei der Analyse der Oberflächendrücke und des Strömungsfeldes eine entscheidende Rolle spielt. Darüber hinaus zeigte sich, dass auch die Wechselwirkung zwischen der Elastizität des Höhenleitwerks und der des Seitenleitwerks einen Einfluss auf die stromaufwärts liegenden Strömungsstrukturen hat – ein bislang wenig untersuchter Aspekt, der im Weiteren für die genauere Darstellung der Erregerkräfte berücksichtigt werden sollte. Im Gegensatz zum elastischen Flügel hat bei einem starren Flügel die Elastizität der Leitwerke nur geringen Einfluss auf die Druckfluktuationen und die Ausprägung der Spitzenwerte im zugeordneten Leistungsspektrum. Im Zuge dieses Projekts wurden zentrale Ergebnisse sowohl auf internationalen Konferenzen als auch in einem Fachjournal veröffentlicht.
Publications
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Experimental investigations of an aeroelastic wind tunnel model for tail buffeting analysis. 33rd Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS, Stockholm, 2022
Stegmüller, J., Hayböck, S., Hartl, P. & Breitsamter, C.
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Experimental analysis of the flow field over an aeroelastic flexible wind tunnel model for tail buffeting analysis. Aerospace Europe Conference, Joint 10th EUCASS – 9th CEAS Conference, Lausanne, 2023
Stegmüller, J., Molz, A., García-Guillén, P. & Breitsamter, C.
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Experimental Investigations of a Wind Tunnel Model for the Analysis of Fluid-Structure Interaction caused by the Influence of Leading-Edge Vortex Systems. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress (DLRK), Stuttgart, 2023
Hartl, P., Stegmüller, J., Hayböck, S., Molz, A. & Breitsamter, C.
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Flow field analysis of a high agility type aircraft aeroelastic wind tunnel model. Aerospace Science and Technology, 162, 110177.
Stegmüller, Julius; Molz, Andreas; García-Guillén, Paloma & Breitsamter, Christian
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Experimental Investigations of an Aeroelastic Wind Tunnel Model for Tail Buffeting Analysis. Journal of Aircraft, 1-16.
Stegmüller, Julius; Hayböck, Stefan; Molz, Andreas & Breitsamter, Christian
