Anwendung der Particle Image Velocimetry: Hochauftriebsflügel
Bei Starts und Landungen von großen Passagierflugzeugen sollen komplexe Multi-Element-Tragflügel hohe Auftriebskräfte erzeugen, während Widerstandskräfte auf ein Minimum reduziert und die Ablösung der Strömung für hohe Anstellwinkel vermieden werden müssen. Hochauftriebsflügel bestehen derzeit mindestens aus drei Elementen: Vorflügel, Hauptflügel und Klappe. Die Strömung um einen realen Verkehrsflugzeugtragflügel ist teilweise instationär oder turbulent und sehr komplex. Das Ziel einer experimentellen Studie innerhalb des EU-finanzierten Netzwerkes EUROPIV 2 war es, die Strömung um eine zweidimensionale Vorflügel/Flügel/Klappen-Hochauftriebskonfiguration zu untersuchen. Dafür war ein PIV-System mit der Fähigkeit, Strömungsfelddaten mit mehreren Kameras gleichzeitig zu erfassen, am Niedergeschwindigkeitskanal von AIRBUS in Bremen installiert worden. Die PIV Messungen wurden am Mittelschnitt des Models für die Anstellwinkel 12°, 17.5° und 19° durchgeführt. Etwa 5000 PIV-Bilder wurden aufgenommen, und die ausgewerteten Geschwindigkeitsvektorfelder geben die Strömungen um den Vorflügel und seinen Nachlauf, um den Hauptflügel und um die Klappe wieder. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass PIV-Messungen in industriellen Windkanälen qualitativ hochwertige Daten liefern können, die die instationären Eigenschaften der Strömung um eine Hochauftriebskonfiguration, die Durchmischung, die in Nachläufen auftritt, sowie die intermittierende Strömungsablösung an der Klappe quantitativ visualisieren können. Zeitlich gemittelte Strömungsfelder um den Vorflügel und die Vorderkante des Hauptflügels bei 12° Anstellwinkel werden in Abb. 1 gezeigt. Die PIV-Daten wurden für die Validierung von und den direkten Vergleich mit hybriden URANS/DES-Simulationsrechnungen bei der ONERA in Frankreich genutzt.
In dem EU-finanzierten Netzwerk EUROLIFT 2 war die Strömung um einen 3-D Hochauftriebsflügel mit angebauter Durchflussgondel Gegenstand experimenteller Untersuchungen im Bremer Niedergeschwindigkeitskanal (BLSWT) von AIRBUS. Von besonderem Interesse war dabei der Einfluss der Gondel und der Pylon-Flügel-Verbindung auf die Strömungsablösung über dem Flügel bei hohen Anstellwinkeln. Um ein besseres Verständnis der Strömungsphysik des ablösungsunterdrückenden Effektes eines an der Gondel angebrachten „Strake“-Wirbelgenerators zu erlangen, wurden mehrere Messtechniken angewandt. Neben der Heißfilm- und Infrarot-Messtechnik wurde ein traversierbares Stereo-PIV-System genutzt, mit welchem entlang der Trajektorien des Wirbelnachlaufes des „Strake” an fünf verschiedenen Ebenen auf der Saugseite des Flügels die Geschwindigkeitsfelder vermessen werden konnten. Die Ebenen befanden sich senkrecht zur Flügeloberfläche und zur Hauptströmungsrichtung und konnten für drei verschiedene Anstellwinkel erfasst werden (Abb. 2).
Zum Vergleich wurden dieselben fünf Ebenen bei den gleichen Anstellwinkeln auch ohne „Strake“ mit der PIV-Technik vermessen (siehe Vergleich in Abb. 3). In der Summe wurden mehr als 10.000 momentane Geschwindigkeitsvektorfelder mit allen drei Komponenten bestimmt. Die Analyse ergab, dass der „Strake“-Wirbel die abgelösten Gebiete (blau in Abb. 3 bei der „clean“-Konfiguration) aufgrund des Impulsaustausches verhindern kann, den er durch die Umlenkung der Strömung senkrecht zur Flügeloberfläche entlang seiner Trajektorie erzeugt.