Die instationäre Aerodynamik spielt in der Luft- und Raumfahrttechnik eine entscheidende Rolle. Sie erforscht die komplizierte dynamische Natur der aerodynamischen Kräfte und Momente, die entstehen, wenn sich flexible Flugzeuge oder Drehflügler durch die Strömung bewegen. Ein Einblick in die instationäre Aerodynamik ist für die Entwicklung sicherer und effizienter Flugzeuge und die Vorhersage ihrer dynamischen Leistung unter realen Bedingungen unerlässlich. Dieser Blogeintrag befasst sich mit dem facettenreichen Gebiet der instationären Aerodynamik und konzentriert sich auf Modellierung, Methodenentwicklung und Modellvalidierung.
Modellierung
Im Mittelpunkt der Disziplin der instationären Aerodynamik steht die Herausforderung der Modellierung. Dynamische aeroelastische Anwendungen erfordern eine umfassende Beschreibung der instationären aerodynamischen Phänomene, wobei das Flattern - ein instabiles und potenziell katastrophales Phänomen - im Mittelpunkt steht. Das komplexe Zusammenspiel zwischen aerodynamischen Kräften und Strukturdynamik erfordert hochentwickelte Modelle, die in der Lage sind, die subtilen Wechselwirkungen zwischen Luftströmung und Struktur genau zu erfassen.
Die Modellierung der instationären Aerodynamik hat sich von der vereinfachten zweidimensionalen Streifentheorie und dreidimensionalen Panel-Methoden zur komplexeren numerischen Strömungsmechanik (CFD) entwickelt, die sowohl für Starr- als auch für Drehflügelkonfigurationen geeignet ist.
Abbildung 1: Wing-propeller configuration with four blades
Wing-propeller configuration with four blades and a cambered wing profile. Complex high-fidelity models allow for the analysis of the complex interaction effects between the rotating proper blades and the wing
Diese Verbesserungen in der Modellierung ermöglichen ein tieferes Verständnis des aerodynamischen Verhaltens, insbesondere im transsonischen Bereich, wo herkömmliche Methoden aufgrund komplexer Strömungsphänomene wie instationäre getrennte Strömungen und durch transsonische Stöße verursachte Strömungen Schwierigkeiten haben. Ein Beispiel für solche Berechnungen ist in Abbildung 1 dargestellt, wo die instationäre Strömung, die einer Buffetbedingung über einem Flügel im transsonischen Bereich entspricht, mit hybriden RANS/LES-Simulationen (HRLM) simuliert wird. Darüber hinaus besteht ein wachsendes Interesse an der Berücksichtigung aerodynamischer und struktureller Nichtlinearitäten, wodurch Phänomene wie Grenzzyklusschwingungen beleuchtet werden können.
Buffet, LCO
The occurrence of unsteady flow conditions in the transonic, in which an oscillation of the shock wave occurs (buffet), limits the flight envelope of modern transport aircraft
Das Team untersucht das Potenzial von turbulenzauflösenden Simulationsmethoden für eine verbesserte Beschreibung des Buffetprozesses. Es werden hybride RANS/LES-Simulationen (HRLM) verwendet, um die turbulenten Strukturen in den Grenzschichten und den Wirbelschleppen aufzulösen, wie in der Abbildung dargestellt.
Entwicklung der Methode
Die Methodenentwicklung in der instationären Aerodynamik ist durch ein Streben nach Präzision und Vielseitigkeit gekennzeichnet. Das Team konzentriert sich auf die Analyse von Strömungen bei hohen Reynoldszahlen sowohl im Unterschall- als auch im transsonischen Bereich. Einige der für diese Arten von Strömungen entwickelten Methoden beinhalten die Integration lokaler korrelationsbasierter Übergangsmodelle in die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) [1].
Boundary layer in the laminar state
Maintaining as much of the boundary layer in the laminar state as possible through suitable geometrical shaping is a key aspect in the development of greener aircraft. Due to the longer laminar areas over the wing (shown in the image in light blue color), the forces acting on the wing change and thus the deformation during cruising flight. The interaction between laminarity, disturbances in the boundary layer and the deformation of the structure is analyzed using complex, time-accurate calculations.
Das Auftreten von Böen und Turbulenzen, die für die Sicherheit von Flugzeugen von entscheidender Bedeutung sind, erfordert sorgfältige Methoden zur genauen Simulation von diskreten Böen und kontinuierlichen Turbulenzen. Der Linear-Frequency-Domain (LFD)-Löser wurde entwickelt und in den CFD-Code TAU des DLR implementiert [2], der sich in der europäischen Industrie zu einem effizienten Standardmodellierungsansatz für die Berechnung von Flattergrenzen und linearisierten Lasten entwickelt hat [3]. Das Team untersucht auch die nichtlinearen Effekte, die sich aus dem Zusammentreffen mit turbulenten Strömungen hoher Amplitude ergeben, und extrahiert Eigenschaften, die von linearisierten Methoden nicht erfasst werden [4] [5]. Darüber hinaus unterstreicht die Integration der Auswirkungen starrer und flexibler Strukturbewegungen sowie von Flugsteuerungssystemen in High-Fidelity-Modelle den Bedarf an umfassenden Methoden, die in der Lage sind, verschiedene Herausforderungen zu bewältigen.
Die Aeroservoelastizität erweist sich als ein zentrales Konzept, das eine Brücke zwischen Aerodynamik, Strukturdynamik und Steuerungssystemen schlägt. Ihre Bedeutung für den modernen Flugzeugentwurf kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden, da Leichtbaustrukturen und fortschrittliche Flugsteuerungssysteme die Grenzen traditioneller Methoden sprengen. Das Team konzentriert sich insbesondere auf die Entwicklung neuer Techniken zur Erstellung hochgenauer aeroservoelastischer Zustandsraummodelle, die auch im transsonischen Bereich gültig sind und die Analyse und den Entwurf komplexer Steuerungen erleichtern, auch wenn Nichtlinearitäten und parametrische Unsicherheiten eine Herausforderung darstellen. Letztlich ermöglichen die daraus resultierenden aeroservoelastischen Modelle den Entwurf von Reglern zur Verringerung von Böenlasten oder zur aktiven Unterdrückung von Flattern, wodurch die aus dem instationären aerodynamischen Modell resultierende Unsicherheit verringert wird.
Representation of the aerodynamic transfer function
The representation of the aerodynamic transfer function matrix elements in the complex plane by the derived aeroservoelastic models if of fundamental importance in order to reduce the modeling uncertainty. The illustration shows a very good agreement between the aerodynamic characteristics produced by the resulting model and the reference data in the frequency domain, obtained with a linear-frequency-domain (LFD) solver for a vertical wind gust perturbation in the transonic regime. The main advantage of the derived state-space aeroservoelastic model is that, unlike frequency domain data, it enables the application of optimal control theory to synthesize controllers using high-fidelity unsteady aerodynamic data.
Schließlich konzentriert sich das Team auch auf analytischere Ansätze, einschließlich Modellierungsmethoden für schwache nichtlineare Systeme [6], parametrische lineare Modelle [7] und Flatterlöser [8].
Modell-Validierung
Die Modellvalidierung ist ein wichtiger Maßstab für die Bewertung der Wirksamkeit theoretischer Konzepte in realen Anwendungen. Trotz bemerkenswerter Fortschritte bei der Modellierung und Methodenentwicklung bleibt die Validierung eine kritische, aber komplexe Aufgabe. Angesichts der inhärenten Unsicherheit, die mit instationären aerodynamischen Modellen verbunden ist, sind robuste Validierungsmethoden unerlässlich, um das Vertrauen in ihre Vorhersagefähigkeiten zu erhalten.
Ein spezieller Forschungsbereich befasst sich mit den instationären aerodynamischen Eigenschaften natürlicher laminarer Tragflächen [9], auch unter Windkanalbedingungen. Dabei werden die erheblichen Auswirkungen der statischen aeroelastischen Verformung und die durch mögliche Verschmutzung verursachten Turbulenzkeile berücksichtigt [10]. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Erforschung der instationären Aerodynamik von Nurflügelkonfigurationen, insbesondere von solchen, die durch eine wirbeldominierte Strömung bei hohen Anstellwinkeln gekennzeichnet sind.
Flying-wing configuration at a high angle of attack illustrating the formation of strong vortices
Such complex flows require advance turbulent models for simulation using the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations. In the simulation showed, a Reynolds stress model (RSM) is used for turbulence closure.
Darüber hinaus beschäftigt sich das Team mit der Analyse von Steuerflächen, einem wichtigen und komplexen Thema, insbesondere unter transsonischen Bedingungen.
Oscillation of a trailing edge flap
The oscillation of a trailing edge flap has a major influence on the unsteady aerodynamic loads acting on an aircraft wing. In order to properly predict the aerodynamic loads numerically, various simulation methods (pulse identification technique in the time domain and LFD in the frequency domain) must be compared with experimental data. The figure shows the incremental pressure coefficient over the chord length of a supercritical airfoil subject to a harmonic excitation of its trailing edge flap located at 75 % of the chord position at a particular frequency.
Die instationäre Aerodynamik ist ein faszinierendes Gebiet der Luft- und Raumfahrttechnik, welches Einblicke in die komplizierte Beziehung zwischen Luftströmung und Flugzeugbewegung bietet. Mit der Weiterentwicklung der Modellierungstechniken und der Verfeinerung der Validierungsmethoden wird das Streben nach einem tieferen Verständnis dieser dynamischen Wechselwirkung fortgesetzt, was die Innovation vorantreibt und die Zukunft der Luftfahrt prägt.
[3] Weigold, Wolfgang und Stickan, Bernd und Travieso-Alvarez, Inocencio und Kaiser, Christoph und Teufel, Patrick (2017) Linearized Unsteady CFD for Gust Loads with TAU. In: IFASD 2017 - International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics. 25.-28. Jun. 2017, Como, Italien. ISBN 978-88-97576-28-0
[4] Kaiser, Christoph und Quero, David und Nitzsche, Jens (2019) Quantification of nonlinear effects in gust load prediction. In: International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, IFASD 2019, 10.-13. Juni 2019, Savannah, GA (USA).
