Aktive Strömungskontrolle zur Effizienzsteigerung von Hochauftriebskonfigurationen
Seiten
2016
|
1. Aufl.
Mensch & Buch (Verlag)
978-3-86387-676-0 (ISBN)
Mensch & Buch (Verlag)
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Aktive Strömungskontrolle bezeichnet im Allgemeinen allgemein Maßnahmen zur Überwachung und zur gezielten Beeinflussung von Strömungszuständen. Anwendung findet diese Methode hauptsächlich in den Bereichen der Transitions- und der Ablösekontrolle. Strömungsablösungen stellen in der Tragflügelaerodynamik die physikalische Grenze des maximal möglichen Auftriebs im sogenannten Hochauftriebsfall dar. Durch gezielten Impuls- bzw. Energieeintrag ist es hier möglich, Strömungsablösungen aktiv zu verzögern oder gar zu vermeiden und damit die Grenzen des fliegbaren Bereichs signifikant zu erweitern.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine generische Hochauftriebskonfiguration eines industrienahen Flügelmodells mit einem aktiven Strömungskontrollsystem zur Verzögerung bzw. Vermeidung der Ablösung ausgerüstet und experimentell untersucht. Ein spezielles, gestaffeltes Aktuatorsystem, welches auf der periodischen Ausblasung extern bereitgestellter Druckluft basiert, wurde dabei in die Einfachspalt-Hinterkantenklappe integriert. In Voruntersuchungen wurde das Konzept der Strömungskontrolle für Reynoldszahlen bis Rec ≈ 1.106 zunächst validiert. Dabei kamen die Standardmess- und Visualisierungsverfahren der Aerodynamik, wie zum Beispiel die Druckmesstechnik, die Waagenmesstechnik bzw. die Ölanstrich- und die Wollfadenvisualisierung zum Einsatz. Für eine detaillierte Untersuchung der Strömungstopologie wurde begleitend die zeitaufgelöste Particle Image Velocimetry angewendet. Dadurch konnte ein wesentlicher Beitrag zum besseren Verständnis der lokalen Strömungsvorgänge innerhalb der abgelösten und aktiv beeinflussten Klappenströmung geliefert werden. Insgesamt wurden die relevanten Parameter der Strömungsbeeinflussung, wie zum Beispiel die Anregefrequenz, die Pulsbreite und der Impulsbeiwert, variiert und die Rezeptivität der Strömung analysiert.
Ein wesentliches Ziel dieser Untersuchungen war es, die Lücke zwischen Windkanalversuchen und realen Fluganwendungen kontinuierlich zu schließen. Dafür wurde in fortführenden Windkanalexperimenten mit Unterstützung des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt das Strömungskontrollsystem im Kryokanal Köln (KKK) der Deutsch-Niederländischen Windkanalgesellschaft (DNW) für Reynoldszahlen bis Rec ≈ 7.106 getestet.
Von besonderem Interesse war hier auch der Einfluss des Pfeilungs- bzw. Schiebewinkels
auf die Wirksamkeit des Strömungskontrollsystems für die jeweilige Flügelkonfiguration. Dazu wurden entsprechende Windkanalversuche für die Schiebewinkel ß = 0°, 10°, 20° und 30° bei einer Reynoldszahl von jeweils Rec ≈ 1.106 durchgeführt. Auf der Basis dieser Messdaten wurde im weiteren Verlauf wiederum dieselbe Flügelkonfiguration mit aktiver Strömungskontrolle an der Hinterkantenklappe für realistische Machzahlen bis Ma∞ = 0.2 (Rec ≈ 2.8.106) für einen anwendungsnahen Schiebewinkel von ß = 30° im luftfahrtzertifizierten Niedergeschwindigkeitswindkanal in Braunschweig (NWB) getestet.
Die Messergebnisse zeigen sehr eindrucksvoll den positiven Einfluss der aktiven Strömungskontrolle auf die gesamte Tragflügelumströmung für signifikant gesteigerte Reynoldszahlen sowie anwendungsrelevante Machzahlen und Schiebewinkel. Außerdem konnte gezeigt werden, dass für die verwendete Klappenkonfiguration in Verbindung mit der aktiven Strömungskontrolle höhere Auftriebsbeiwerte erreicht werden können als mit einer passiv optimierten Klappenstellung.
Die vorliegende Arbeit betrachtet hauptsächlich die aerodynamische Seite dieser Strömungskontrollanwendung und demonstriert dabei deutlich das Verbesserungspotential. Für reale Anwendungen am Flugzeug ist jedoch aktuatorseitig noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten, da auch die Effizienz und die Ausfallsicherheit mechanischer Aktuatorkomponenten in der Praxis eine wichtige Rolle spielen. Insgesamt sollte mit dieser Arbeit eine detaillierte Datenbasis geschaffen werden, die eine Grundlage für die Auslegung innovativer¦Hochauftriebskonzepte mit aktiver Strömungskontrolle bildet.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine generische Hochauftriebskonfiguration eines industrienahen Flügelmodells mit einem aktiven Strömungskontrollsystem zur Verzögerung bzw. Vermeidung der Ablösung ausgerüstet und experimentell untersucht. Ein spezielles, gestaffeltes Aktuatorsystem, welches auf der periodischen Ausblasung extern bereitgestellter Druckluft basiert, wurde dabei in die Einfachspalt-Hinterkantenklappe integriert. In Voruntersuchungen wurde das Konzept der Strömungskontrolle für Reynoldszahlen bis Rec ≈ 1.106 zunächst validiert. Dabei kamen die Standardmess- und Visualisierungsverfahren der Aerodynamik, wie zum Beispiel die Druckmesstechnik, die Waagenmesstechnik bzw. die Ölanstrich- und die Wollfadenvisualisierung zum Einsatz. Für eine detaillierte Untersuchung der Strömungstopologie wurde begleitend die zeitaufgelöste Particle Image Velocimetry angewendet. Dadurch konnte ein wesentlicher Beitrag zum besseren Verständnis der lokalen Strömungsvorgänge innerhalb der abgelösten und aktiv beeinflussten Klappenströmung geliefert werden. Insgesamt wurden die relevanten Parameter der Strömungsbeeinflussung, wie zum Beispiel die Anregefrequenz, die Pulsbreite und der Impulsbeiwert, variiert und die Rezeptivität der Strömung analysiert.
Ein wesentliches Ziel dieser Untersuchungen war es, die Lücke zwischen Windkanalversuchen und realen Fluganwendungen kontinuierlich zu schließen. Dafür wurde in fortführenden Windkanalexperimenten mit Unterstützung des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt das Strömungskontrollsystem im Kryokanal Köln (KKK) der Deutsch-Niederländischen Windkanalgesellschaft (DNW) für Reynoldszahlen bis Rec ≈ 7.106 getestet.
Von besonderem Interesse war hier auch der Einfluss des Pfeilungs- bzw. Schiebewinkels
auf die Wirksamkeit des Strömungskontrollsystems für die jeweilige Flügelkonfiguration. Dazu wurden entsprechende Windkanalversuche für die Schiebewinkel ß = 0°, 10°, 20° und 30° bei einer Reynoldszahl von jeweils Rec ≈ 1.106 durchgeführt. Auf der Basis dieser Messdaten wurde im weiteren Verlauf wiederum dieselbe Flügelkonfiguration mit aktiver Strömungskontrolle an der Hinterkantenklappe für realistische Machzahlen bis Ma∞ = 0.2 (Rec ≈ 2.8.106) für einen anwendungsnahen Schiebewinkel von ß = 30° im luftfahrtzertifizierten Niedergeschwindigkeitswindkanal in Braunschweig (NWB) getestet.
Die Messergebnisse zeigen sehr eindrucksvoll den positiven Einfluss der aktiven Strömungskontrolle auf die gesamte Tragflügelumströmung für signifikant gesteigerte Reynoldszahlen sowie anwendungsrelevante Machzahlen und Schiebewinkel. Außerdem konnte gezeigt werden, dass für die verwendete Klappenkonfiguration in Verbindung mit der aktiven Strömungskontrolle höhere Auftriebsbeiwerte erreicht werden können als mit einer passiv optimierten Klappenstellung.
Die vorliegende Arbeit betrachtet hauptsächlich die aerodynamische Seite dieser Strömungskontrollanwendung und demonstriert dabei deutlich das Verbesserungspotential. Für reale Anwendungen am Flugzeug ist jedoch aktuatorseitig noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten, da auch die Effizienz und die Ausfallsicherheit mechanischer Aktuatorkomponenten in der Praxis eine wichtige Rolle spielen. Insgesamt sollte mit dieser Arbeit eine detaillierte Datenbasis geschaffen werden, die eine Grundlage für die Auslegung innovativer¦Hochauftriebskonzepte mit aktiver Strömungskontrolle bildet.
| Erscheinungsdatum | 04.11.2016 |
|---|---|
| Verlagsort | Berlin |
| Sprache | deutsch |
| Einbandart | gebunden |
| Themenwelt | Technik ► Luft- / Raumfahrttechnik |
| Schlagworte | Aerodynamik • Hochauftrieb • Strömungskontrolle |
| ISBN-10 | 3-86387-676-8 / 3863876768 |
| ISBN-13 | 978-3-86387-676-0 / 9783863876760 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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