Aerodynamic and numerical flow modeling of elastic high lift configurations

  • Aerodynamik und numerische Strömungsmodellierung elastischer Hochauftriebskonfigurationen

Schieffer, Gero; Behr, Marek (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Die Umströmung von Hochauftriebskonfigurationen ist durch eine komplexe Physik gekennzeichnet, welche Phänomene wie die Interaktion von Grenzschichten und Nachläufen sowie die laminar-turbulente Transition beinhaltet. Der Entwurf der meisten Flugzeuge basiert auf Leichtbaukonstruktionen, welche die Steifigkeit des Flügels verringern. Die elastischen Eigenschaften des Flügels beeinflussen ebenfalls die Leistungen der Hochauftriebskonfigurationen. Insbesondere eine elastische Klappe kann sich verformen und damit die Größe des Spaltes zwischen Flügel und Klappe ändern. Dieser Spalt beeinflusst die Eigenschaften einer Hochauftriebskonfiguration erheblich. Um in einer frühen Phase des Designprozesses eine genaue Vorhersage der Strömung um eine elastische Hochauftriebskonfiguration zu ermöglichen, bietet sich numerische Werkzeuge an. Das Programm QUADFLOW beinhaltet eine Gitteradaption, welche sicherstellt, dass die physikalischen Phänomene in Strömungen um Hochauftriebskonfigurationen räumlich aufgelöst werden können. In dieser Arbeit wurde der Strömungslöser in QUADFLOW um Modelle zur besseren Vorhersage von Strömungsablösung sowie laminar-turbulenter Transition erweitert. So wurden drei zusätzliche Zweigleichungs-Turbulenzmodelle implementiert, um die Vorhersage des Beginns von Strömungsablösungen zu verbessern. Ein Transitionskriterium wurde implementiert, um den Beginn der laminar-turbulenten Transition zu bestimmen. Die in die Software integrierten Turbulenz- und Transitionsmodelle wurden verwendet, um Testfälle aus der Literatur zu simulieren. Ein Vergleich der experimentellen und numerischen Daten ergab eine gute Übereinstimmung. Die zunehmende Komplexität der zu untersuchenden Geometrien und die damit steigende Größe der Rechennetze führt dazu, dass die Reduktion der Rechenzeit ein wichtiges Thema bleibt. Daher wurden die Möglichkeiten einer neuen Jacobian-free Newton-Krylov Methode zur Verringerung der Rechenzeit untersucht und deutliche Verbesserungen festgestellt. Um direkte aeroelastische Simulationen zu ermöglichen, wurde QUADFLOW in den aeroelastischen Löser SOFIA eingebunden. Die Kopplung der verschiedenen Programme wurde mittels zweier Testfälle, welche einen elastischen Flügel betrafen, validiert und eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen festgestellt. Die Genauigkeit der berechneten Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte einer Hochauftriebskonfiguration konnte durch die Berücksichtigung transitioneller Effekte verbessert werden. Insbesondere konnte der Anstellwinkel, bei dem Strömungsabriß auftritt, genauer vorhergesagt werden. Die Untersuchungen der elastischen Hochauftriebskonfiguration zeigen, dass die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte durch die Rotation der Klappe zu kleineren Anstellwinkeln verringert werden.

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