Strömungssimulation in Windkanälen - Prof. Dr.-Ing. Peter R ...

Aerodynamik des Flugzeugs__________________________________________________________________________________________________________Aerodynamik des FlugzeugsKapitel 2Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Folie 1 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________1 Einleitung2 Strömungssimulation in Windkanälen3 Numerische Strömungssimulation4 Potentialströmungen5 Tragflügel unendlicher Streckung in inkompressibler Strömung6 Tragflügel endlicher Streckung in inkompressibler Strömung7 Aerodynamik der Klappen und Leitwerke8 Kompressible Strömungsmechanik (Gasdynamik)9 Kompressible Aerodynamik10 Stabilität und Steuerbarkeit11 Literatur__________________________________________________________________________________________________________Folie 2 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________2. Strömungssimulation in Windkanälen2.1 Die Simulationsproblematik oder die Quadratur des KreisesZielBei der Entwicklung von Fluggeräten ist man bereits in einer sehr frühen Phase desEntwurfsprozesses auf eine möglichst genaue mathematische Beschreibung des aerodynamischenund flugmechanischen Verhaltens des Flugzeugs angewiesen⇒ Überprüfung der projektierten Flugleistungen⇒ Auslegung des FlugreglersTrotz der zunehmenden Bedeutung von numerischen Entwurfswerkzeugen (CFD), stellt derexperimentelle Ansatz, d.h. die Erstellung eines aerodynamischen Modells auf der Basis vonWindkanaldaten, noch ein grundlegendes Entwurfswerkzeug dar__________________________________________________________________________________________________________Folie 3 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________ProblemFlugzeug kann nicht in Originalgröße über seinen gesamten Geschwindigkeitsbereich getestetwerdenLediglich im Niedergeschwindigkeitsbereich existieren einige Versuchsanlagen, die über eineentsprechend große Meßstrecke verfügen um Flugzeuge im Originalmaßstab untersuchen zukönnen, z.B. NASA AMES 80 x 120 ft Niedergeschwindigkeitswindkanal mit einer maximalenStrömungsgeschwindigkeit von 80 mph bzw. 36 m/s__________________________________________________________________________________________________________Folie 4 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________NASA Ames 80 x 120 ft Niedergeschwindigkeitswindkanal__________________________________________________________________________________________________________Folie 5 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________VorgehensweiseWindkanaluntersuchungen werden an geometrisch ähnlichen, jedoch verkleinerten ModellendurchgeführtEs ist unerheblich ob das Modell sich durch die ruhende Luft bewegt oder ob ein Fluid sich um einruhendes Modell bewegtDiese Aussage verliert mit zunehmender Machzahl (chemische Reaktionen) ihre GültigkeitÜbertragbarkeit der ErgebnisseDie grundlegende Frage besteht nun darin, unter welchen Umständen sich ein Meßergebnis,welches an einem, in der Regel maßstäblich verkleinertem Modell erzielt wurde, auf das Fluggerät inGroßausführung übertragen läßt__________________________________________________________________________________________________________Folie 6 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________DimensionsanalyseHerleitung von Kennzahlen oder Ähnlichkeitszahlen, die die Strömungsvorgänge beeinflussendenKräfteanteile als charakteristische Größen der StrömungTrägheitskraftDruckkraftV∝lF T2F Dp∝ ρ ⋅ l⋅VReibungskraft F R∝ ν2lSchwerkraft F S∝ gKapillarkraft F ∝ σKρ 2⋅ l__________________________________________________________________________________________________________Folie 7 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________KennzahlenVerhältnis der KräfteanteileFD pEuler-Zahl ∝ = Eu2F ρ ⋅VFTV ⋅ lReynolds-Zahl ∝ = ReF ν2FT VFroude-Zahl ∝ = FrF g ⋅ l2FT ρ ⋅V⋅ lWeber-Zahl ∝ = WeF σTRSKDiese Kennzahlen berücksichtigen Effekte, die sich aufgrund der Kräftebilanz ergeben, vollständigephysikalische Ähnlichkeit von zwei Strömungsfeldern erfordert Berücksichtigung der Energiebilanz__________________________________________________________________________________________________________Folie 8 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________EnergiebilanzWärmeleitungλ ⋅ ΔTe&L∝ ρ2⋅ lKonvektione&Kc∝p⋅V⋅ ΔTl⋅VReibung e&R∝ ν2lQuellen, Senken e &∝ Q&2Instationäre Energieanteilece&∝ip⋅ ΔTt__________________________________________________________________________________________________________Folie 9 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________KennzahlenVerhältnis der Energieanteilee&V ⋅ l ⋅ ρ ⋅ cK p V ⋅ lPéclet-Zahl ∝ = = Pee&λ α2e&Rν ⋅VV 1Eckert-Zahl ∝ = ⋅ = Ece&c ⋅ l ⋅ ΔTc ⋅ ΔTRe2 2e&ρ ⋅ cp⋅ lilFourier-Zahl ∝ = = Foe&λ ⋅ t α ⋅ te&Qreakt. Zweite Damköhler-Zal ∝&= Da2e&c ⋅ ΔTLKLippp__________________________________________________________________________________________________________Folie 10 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Weitere Größen, die je nach Problemstellung relevant werden können, sind2 2u′+ v′+ w′Turbulenzgrad Tu Tu =23⋅V2+Strouhalzahl S, gebildet mit einer charakteristischen Frequenz f (Wirbelablösung)S =f ⋅lVMachzahl M, gebildet mit der Schallgeschwindigkeit c (Flugkörper)VM =cVollständige physikalische Ähnlichkeit zwischen Groß- und Modellausführung besteht nur dann,wenn sämtliche Kennzahlen übereinstimmen__________________________________________________________________________________________________________Folie 11 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Reduzierung auf zwei wesentliche KennzahlenMachzahl MVerhältnis Strömungs- bzw. Fluggeschwindigkeit V zur Schallgeschwindigkeit cBestimmung der aerodynamischen Kräfte und MomenteVM =cReynolds-Zahl ReVerhältnis von Trägheits- zu ZähigkeitskräftenBerücksichtigung reibungsbehafteter Vorgänge (Grenzschicht, Reibungswiderstand, Ablösung)Re =FFTRV ⋅l∝ν__________________________________________________________________________________________________________Folie 12 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Experimentelle SimulationMachzahl MDuplizierung durch Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit V in der MeßstreckeReynolds-Zahl ReModellmaßstab geht über die Bezugslänge l ref in die Reynoldszahl einRe =V ⋅lνρ ⋅V⋅=μrefl ref__________________________________________________________________________________________________________Folie 13 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Simulation von Mach- und Reynoldszahl in Kryogen-WindkanälenMachähnlichkeitStrömungsgeschwindigkeitMa =lokale Schal lg eschwindigkeitv=c=vκ ⋅ R ⋅TReynoldsähnlichkeitTrägheitskraftRe =Reibungskraftρ ⋅ v ⋅ l=μDynamische Viskosität (Zähigkeit) -Näherung nach Sutherlandμ = 1.458 ⋅10−61.5T⋅T + 110.4[ Pa ⋅ s]Erhöhung der Reynoldszahl durchAnhebung des Druckniveaus und/oderAbsenken der Temperaturpρ = ; p ↑⇒ ρ ↑ ⇒ Re ↑R ⋅Tμν = ; T ↓⇒ μ ↓⇒ν↓ ⇒ Re ↑ρ__________________________________________________________________________________________________________Folie 14 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Vorgehen bei nicht korrekter Duplizierung der ReynoldszahlNäherungsweise Abbildung der Verteilung zwischen laminarer und turbulenter StrömungMöglichkeiten zur TransitionsfixierungNiedergeschwindigkeitsbereich- aufgeklebtes ZackenbandHochgeschwindigkeitsbereich- Karborund, aufgeklebtes MetallpulverSchlechte Reproduzierbarkeit, Verunreinigung der Strömung im Windkanal durch abgelösteKarborundteilchen ⇒ Modell wird 'sandgestrahlt'- aufgeklebte Zylinder (dots)Hohe Reproduzierbarkeit, konstanter Abstand der Störstellen__________________________________________________________________________________________________________Folie 15 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bsp.:Erzwingung der Transition zur Vermeidung von Ablösung am Höhenruder (Zackenband)__________________________________________________________________________________________________________Folie 16 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bsp.:Erzwingung von Transition zur Nachbildung der Verteilung laminarer und turbulenterGrenzschicht (dots)Discheight hDiscdiameter dDiscspacing xLocationXR XT[mm] [mm] [mm] [mm] [mm]Wing 23.0 4.2Canard 4.6 1.5Fin 10.0 3.0Nose 38.0 n/a0.102 1.090 2.54Intake 12.7 n/aTip pod 12.7 n/a__________________________________________________________________________________________________________Folie 17 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bsp.:Erzwingung von Transition durch 'dots'__________________________________________________________________________________________________________Folie 18 von 58

Fluidmechanik Kapitel 2 – Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bsp.:Erzwingung von Transition durch 'dots'__________________________________________________________________________________________________________Folie 19 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.2 Erste Versuche: Otto Lilienthal, Gustaf Weißkopf und Gebr. WrightErste, weniger erfolgreiche Versuche: Aerial Steamer, Thomas Moy 1875⇒Entwicklung von Fluggeräten erfordert eine systematische Problemlösungsstrategie__________________________________________________________________________________________________________Folie 20 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Systematische Herangehensweise: Otto LilienthalVersuchsaufbau von O. Lilienthal zur Profiluntersuchung__________________________________________________________________________________________________________Folie 21 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Gustaf WeißkopfG. Weißkopf mit seinem Fluggerät Nr. 21__________________________________________________________________________________________________________Folie 22 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Replika des Fluggeräts Nr. 21 von G. Weißkopf in Manching__________________________________________________________________________________________________________Folie 23 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Gebr. WrightWindkanal und Gleiter Nr. 3 der Gebr. Wright__________________________________________________________________________________________________________Folie 24 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.3 Einteilung der Windkanäle2.3.1 Unterscheidung nach MachzahlEinteilung entsprechend dem Betriebsbereich- Unterschallkanal, inkompressibel: 0 < M < 0.3- Unterschallkanal, kompressibel: 0.3 < M < 0.7- Transsonikkanal: 0.7 < M < 1.2- Überschallkanal: 1.2 < M < 5- Hyperschallkanal: 5 < M < 30- Plasmakanäle (verdünnte Gase) 5 < M < 30__________________________________________________________________________________________________________Folie 25 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.3.1 Unterscheidung nach BetriebsdauerKontinuierlicher Betrieb, Kanäle geschlossener Bauart mit StrömungsrückführungNiedergeschwindigkeits-, Transsonik-, Überschall- und PlasmakanäleIntermittierend arbeitende KanäleHoher Energieaufwands im Hyperschallbereich, Meßzeiten in der Größenordnung von⇒ Minuten ('blow-down-Kanal')⇒ Millisekunde (Stoßwellenkanal) liegen.Hauptmerkmal der Unterscheidung entsprechend der Duplizierung- Geschwindigkeit ('kalter' Hyperschall) ⇒ Kräfte, Momente- Enthalpie ('heißer' Hyperschall) ⇒ Temperaturen, Wärmeübergänge__________________________________________________________________________________________________________Folie 26 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Niedergeschwindigkeitswindkanäle (M

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________EinsatzbereichSehr geringer Turbulenzgrad ⇒ Untersuchung von Profilen im Niedergeschwindigkeitsbereichz.B. TU Delft oder IAG der Universität StuttgartIn seltenen Fällen auch Erzeugung von Trans- und Überschallströmungen (Institut für Luft- undRaumfahrt der TU Berlin)SiebeGleichrichterDiffusorGebläseMeßkammerEiffel-Windkanal__________________________________________________________________________________________________________Folie 28 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Geschlossene Kanäle oder Kanal Göttinger BauartGeschlossene Bauart (Göttinger Kanal), TU-München Windkanal A__________________________________________________________________________________________________________Folie 29 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Transsonischer Windkanal (0.4 < M < 1.2)Austausch von Düse/Meßstrecke ⇒ Erweiterung des Betriebsbereich von M = 0.4 auf M = 2.0Sehr hoher Energiebedarfs bei kontinuierlichem Betrieb (bis zu 70 MW) ⇒ kleinere MeßstreckeTranssonischer Windkanal Göttingen (TWG)__________________________________________________________________________________________________________Folie 30 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Eurofighter-Modell (Maßstab 1:15), TWT CALSPAN Buffalo NY, USA__________________________________________________________________________________________________________Folie 31 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Hyperschallwindkanäle (M>5)Duplizierung der Geschwindigkeit ('kalter' Hyperschall) oder der Enthalpie ('heißer' Hyperschall)VKI hypersonic tunnel H-3 blow-down facility__________________________________________________________________________________________________________Folie 32 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Modell des Raumtransporters Sänger mit Oberstufe Horus, H2K DLR Köln__________________________________________________________________________________________________________Folie 33 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Stoßwellenkanal (heißer Hyperschall)Hochenthalpie-Windkanal Göttingen (HEG)__________________________________________________________________________________________________________Folie 34 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.4 Windkanalinstrumentierung2.4.1 KraftmessungenVerwendung interner oder eine externer HauptwaagenProblemKraft- und momentfreie Überbrückung der Waage durch Instrumentierungs-, Druckluft- oderHydraulikleitungen zur Simulation von TriebwerksstrahlenWindkanalmodell mit interner Waage und Heckstielaufhängung__________________________________________________________________________________________________________Folie 35 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Interne 6-Komponentenwaagen, TASK (Kraftwaage)__________________________________________________________________________________________________________Folie 36 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Externe Windkanalwaage, University of Washington__________________________________________________________________________________________________________Folie 37 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bestimmung von Schnittlasten, AußenlastenEADS Außenlastwaage für das Modell (1:15) einer Luft-Boden-Waffe,__________________________________________________________________________________________________________Folie 38 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.4.2 DruckmessungenBelastungsmechanik erfordert Lastverteilung an einzelnen Baugruppen, z.B. am Tragflügel oder anTriebwerksgondelnKlassische VerfahrenVerwendung von Druckmodellen, mit einer Vielzahl von statischen und dynamischenDruckmeßstellenAufwand- Fertigung eines Druckverteilungsmodells- Modellinstrumentierung- Reduzierung des Aufwands durch optische Meßverfahren, z.B. druckempfindlicher Farbe(pressure sensitive paint PSP), Laser-Doppler-Verfahren__________________________________________________________________________________________________________Folie 39 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________PSI-Modul__________________________________________________________________________________________________________Folie 40 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Military AircraftMako High Speed ModelDNW – High Speed Tunnel/AmsterdamTP 3 Sept.2002Page 1 Aerodynamischer Versuch MT634 – Dr. Peter Hakenesch – 09. März 2005 - OttobrunnPressure Sensitive Paint (PSP)__________________________________________________________________________________________________________Folie 41 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Optische Verfahren: Druckempfindliche Farbe (PSP pressure sensitive paint)Military AircraftOptische Meßtechnik - PSPUV-LichtO 2LumineszenzPhosphoreszenz(10 -4 - 1 s)Fluoreszenz10 -9 - 10 -5 s)20 - 40 μ(10 -9 DLRAktive Schicht(in einem transparenten Polymer)20 μDeckschichtModelloberflächeDruckempfindliche MoleküleReferenzmolekülePrinzip des optischen Sensors (Binärfarbe)__________________________________________________________________________________________________________Folie 42 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________PC1Camera boards500 MHzflashlampWSCCD1CCD2flash lampCCD8CCD7CCD3CCD4flash lampPC2Synch. boardCCD5CCD6flashlampSeite 61 von 74PSP Versuchsanordnung im transsonischen Windkanal DNW/HSTMehrfach CCD-Kameras, Beleuchtung und DatenerfassungDr. Peter Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 43 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________FlugphysikOptische Meßtechnik - PSPMako Hochgeschwindigkeitsmodell360° PSP Druckverteilung -lowpressurehighSeite 63 von 74Dr. Peter Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 45 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________FlugphysikOptische Meßtechnik - Funktionale SchichtenOptische Meßtechnik - Funktionale SchichtenSelbstleuchtende Folie auf Flügel-HinterkantenklappeSeite 64 von 74Dr. Peter Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 46 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________FlugphysikOptische Meßtechnik - Funktionale SchichtenAufgesprühte selbstleuchtende Schicht auf Mako-CockpitSeite 65 von 74Dr. Peter Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 47 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Analyse von Rohrströmungen - Einlaufmessungen: Instrumentierung5-Lochsonde__________________________________________________________________________________________________________Folie 48 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Military AircraftEinlaufmeßtechnik – Triebwerk/Zelle IntegrationTW-LufteinlaufHilfseinlaufKompatibilitätHeck-Var. Geometrie- Grenzschicht-Absaugung- Einlaufleistung-Vorkörperkontur- Position-Größe- Distortion- Drall- Lasten- TW surge- Var. Geometrie- Schubumkehr- Heckwiderstand- SchubvektorsteuerungHeckmodellEinlaufmodellHeckwiderstandDruckrückgewinn / Überlaufwiderstand / Flow distortionBuffetPage 1 Aerodynamischer Versuch MT634 – Dr. Peter Hakenesch – 09. März 2005 - OttobrunnEinlaufmeßtechnik__________________________________________________________________________________________________________Folie 49 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Optische Verfahren: Laser-Doppler-VerfahrenOptische Meßzelle konventioneller Druckmeßrechen__________________________________________________________________________________________________________Folie 50 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________FlugphysikOptische Meßtechnik - DGVDruckmodulOptische Meßtechnik (DGV)Schnittstelle Einlauf/TriebwerkVor Einlauf-AnsaugquerschnittTOPTOPIntakelookingaftStrömungswinkel Totaldruck Isobaren Strömungswinkel + GeschwindigkeitSeite 58 von 74Dr. Peter Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 51 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.4.3 TemperaturmessungenHERMES Hyperschallmodell zur Wärmeübergangsmessung__________________________________________________________________________________________________________Folie 52 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Dynamische Meßtechnik⇒⇒Bestimmung dynamischer Derivativa, z.B. Rolldämpfung clpTrudelanalyseFORCED OSC.MPGRotary.mpgCOMB MOTION.MPG__________________________________________________________________________________________________________Folie 53 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.4.4 WindkanalkorrekturenProblem- Großausführung bewegt sich durch die ungestörte Atmosphäre- Modell ist durch Aufhängungs- und Verstellvorrichtung in ein erdfestes System eingebunden⇒ Einfluß der Modellaufhängung und räumlichen Begrenzung durch Kanalwände⇒ Versperrung⇒ Veränderung der Druckverteilung in der Meßstrecke⇒ Verfälschung der Modellgeometrie im Heckbereich zu berücksichtigen (Heckwiderstand)Kleine Modellgröße⇒⇒⇒Keine korrekte Triebwerksimulation, Triebwerke bzw. SchubcharakteristikLediglich Nachbildung des durchströmten TriebwerkskanalsMessung des internen Durchflußwiderstands durch Druckmeßrechen imDüsenaustrittsquerschnitt__________________________________________________________________________________________________________Folie 54 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Einfluß der MeßstreckenwändeSignifikanter Unterschied zwischen- Unterschallkanälen,- Transschall-, bzw. Überschallkanälen und- HyperschallkanälenUnterschallStörungen wirken auch stromaufwärts, z.B. Versperrung durch Modell⇒ Ablenkung der Stromlinien, mit entsprechender Auswirkung auf die aerodynamischen BeiwerteTranssonikBe- bzw. Entlüftung der Meßstrecke durch perforierte oder geschlitzte Wänden,Korrektur der Druckverteilung in der Meßstrecke durch Beeinflussung des Nebenstromverhältnisses__________________________________________________________________________________________________________Folie 55 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________ÜberschallEntlüftung bewirkt Verringerung der Stärke der an den Wänden zu dem Modell reflektierten Stöße,welche durch die stoßinduzierte Druckverteilung die Kraftmessung verfälschenIdealfallDurch Druckanstieg hinter dem Stoß wird genau so viel Luft durch die Entlüftung gepreßt, daß derDruck hinter dem Stoß auf das gleiche Niveau reduziert wird, wie es vor dem Stoß herrschteProblemForm und Stärke der Stoßfronten hängen von der Machzahl, der Modellgröße und dem Anstellwinkelab⇒ In der Realität stellt sich kaum ein interferenzfreier Zustand ein⇒ Luft strömt durch die Entlüftungsöffnungen wieder in die Meßstrecke zurück⇒ Beeinflussung des Strömungsfelds stromabwärts__________________________________________________________________________________________________________Folie 56 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________AbhilfeMinimierung der Wandeinflüsse im Transsonikbereich durch Verwendung von Modellen, die lediglicheine maximale Versperrung der Meßstrecke von einem Prozent aufweisenHoher Überschall (M > 2), HyperschallStoßfronten liegen deutlich näher an der Körperoberfläche an⇒ Von der Kanalwand reflektierte Stöße treffen kaum wieder auf das ModellProblematik der eingefrorenen Strömung im Hyperschall⇒ Luftchemie wird trotz gleichem Enthalpieniveau im Versuch nicht korrekt dupliziertDüsenkorrekturNicht optimal ausgelegte Düse bei Windkanälen⇒ Druckgradienten in axialer Richtung⇒ Gradient in der Machzahl⇒ Korrektur durch Kalibrierung der Meßstrecke, Berücksichtigung bei der Datenauswertung__________________________________________________________________________________________________________Folie 57 von 58

Aerodynamik des Flugzeugs Strömungssimulation in Windkanälen__________________________________________________________________________________________________________Übungen zum Kapitel 2.Strömungssimulation in WindkanälenA2.1 Ähnlichkeitskennzahlen bei WindkanalversuchenWelche Ähnlichkeitskennzahlen sollten Sie bei Windkanaluntersuchungen, insbesondere bei ProfiloderGrenzschichtuntersuchungen duplizieren? Geben Sie eine physikalische Definition derParameter an.A2.2 Einteilung von WindkanälenNach welchen Kriterien lassen sich Windkanaltypen unterscheiden?A2.3 LaminarwindkanalSie sind bei einem Hersteller für Windkraftanlagen beschäftigt und werden mit der Entwicklung einesneuen Profils beauftragt. Welchen Typ von Windkanal wählen Sie für diese Untersuchung aus undwarum?Den ersten Teil der Messungen führen Sie im Juli, bei einer durchschnittlichen Temperatur von 35°Cund einem auf Meeresniveau (MSL) bezogenen Luftdruck von 980 hPa durch. Den zweiten Teil derMessung schließen Sie im Dezember, bei einer durchschnittlichen Temperatur von -20°C und einemLuftdruck von 1020 hPa ab.Verwundert stellen Sie fest, daß die Ergebnisse nicht zusammen passen, warum?__________________________________________________________________________________________________________Folie 58 von 58