Strömungssimulation in Windkanälen - Prof. Dr.-Ing. Peter R ...
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Aerodynamik des Flugzeugs__________________________________________________________________________________________________________Aerodynamik des FlugzeugsKapitel 2<strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Folie 1 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________1 E<strong>in</strong>leitung2 <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen3 Numerische <strong>Strömungssimulation</strong>4 Potentialströmungen5 Tragflügel unendlicher Streckung <strong>in</strong> <strong>in</strong>kompressibler Strömung6 Tragflügel endlicher Streckung <strong>in</strong> <strong>in</strong>kompressibler Strömung7 Aerodynamik der Klappen und Leitwerke8 Kompressible Strömungsmechanik (Gasdynamik)9 Kompressible Aerodynamik10 Stabilität und Steuerbarkeit11 Literatur__________________________________________________________________________________________________________Folie 2 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________2. <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen2.1 Die Simulationsproblematik oder die Quadratur des KreisesZielBei der Entwicklung von Fluggeräten ist man bereits <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er sehr frühen Phase desEntwurfsprozesses auf e<strong>in</strong>e 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 e<strong>in</strong>es aerodynamischen Modells auf der Basis vonW<strong>in</strong>dkanaldaten, noch e<strong>in</strong> grundlegendes Entwurfswerkzeug dar__________________________________________________________________________________________________________Folie 3 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________ProblemFlugzeug kann nicht <strong>in</strong> Orig<strong>in</strong>algröße über se<strong>in</strong>en gesamten Geschw<strong>in</strong>digkeitsbereich getestetwerdenLediglich im Niedergeschw<strong>in</strong>digkeitsbereich existieren e<strong>in</strong>ige Versuchsanlagen, die über e<strong>in</strong>eentsprechend große Meßstrecke verfügen um Flugzeuge im Orig<strong>in</strong>almaßstab untersuchen zukönnen, z.B. NASA AMES 80 x 120 ft Niedergeschw<strong>in</strong>digkeitsw<strong>in</strong>dkanal mit e<strong>in</strong>er maximalenStrömungsgeschw<strong>in</strong>digkeit von 80 mph bzw. 36 m/s__________________________________________________________________________________________________________Folie 4 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________NASA Ames 80 x 120 ft Niedergeschw<strong>in</strong>digkeitsw<strong>in</strong>dkanal__________________________________________________________________________________________________________Folie 5 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________VorgehensweiseW<strong>in</strong>dkanaluntersuchungen werden an geometrisch ähnlichen, jedoch verkle<strong>in</strong>erten ModellendurchgeführtEs ist unerheblich ob das Modell sich durch die ruhende Luft bewegt oder ob e<strong>in</strong> Fluid sich um e<strong>in</strong>ruhendes Modell bewegtDiese Aussage verliert mit zunehmender Machzahl (chemische Reaktionen) ihre GültigkeitÜbertragbarkeit der ErgebnisseDie grundlegende Frage besteht nun dar<strong>in</strong>, unter welchen Umständen sich e<strong>in</strong> Meßergebnis,welches an e<strong>in</strong>em, <strong>in</strong> der Regel maßstäblich verkle<strong>in</strong>ertem Modell erzielt wurde, auf das Fluggerät <strong>in</strong>Großausführung übertragen läßt__________________________________________________________________________________________________________Folie 6 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________DimensionsanalyseHerleitung von Kennzahlen oder Ähnlichkeitszahlen, die die Strömungsvorgänge bee<strong>in</strong>flussendenKräfteanteile als charakteristische Größen der StrömungTrägheitskraft<strong>Dr</strong>uckkraftV∝lF T2F Dp∝ ρ ⋅ l⋅VReibungskraft F R∝ ν2lSchwerkraft F S∝ gKapillarkraft F ∝ σKρ 2⋅ l__________________________________________________________________________________________________________Folie 7 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________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 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________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 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________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 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Weitere Größen, die je nach Problemstellung relevant werden können, s<strong>in</strong>d2 2u′+ v′+ w′Turbulenzgrad Tu Tu =23⋅V2+Strouhalzahl S, gebildet mit e<strong>in</strong>er charakteristischen Frequenz f (Wirbelablösung)S =f ⋅lVMachzahl M, gebildet mit der Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit c (Flugkörper)VM =cVollständige physikalische Ähnlichkeit zwischen Groß- und Modellausführung besteht nur dann,wenn sämtliche Kennzahlen übere<strong>in</strong>stimmen__________________________________________________________________________________________________________Folie 11 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Reduzierung auf zwei wesentliche KennzahlenMachzahl MVerhältnis Strömungs- bzw. Fluggeschw<strong>in</strong>digkeit V zur Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit 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 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Experimentelle SimulationMachzahl MDuplizierung durch Anpassung der Strömungsgeschw<strong>in</strong>digkeit V <strong>in</strong> der MeßstreckeReynolds-Zahl ReModellmaßstab geht über die Bezugslänge l ref <strong>in</strong> die Reynoldszahl e<strong>in</strong>Re =V ⋅lνρ ⋅V⋅=μrefl ref__________________________________________________________________________________________________________Folie 13 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Simulation von Mach- und Reynoldszahl <strong>in</strong> Kryogen-W<strong>in</strong>dkanälenMachähnlichkeitStrömungsgeschw<strong>in</strong>digkeitMa =lokale Schal lg eschw<strong>in</strong>digkeitv=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 <strong>Dr</strong>uckniveaus und/oderAbsenken der Temperaturpρ = ; p ↑⇒ ρ ↑ ⇒ Re ↑R ⋅Tμν = ; T ↓⇒ μ ↓⇒ν↓ ⇒ Re ↑ρ__________________________________________________________________________________________________________Folie 14 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Vorgehen bei nicht korrekter Duplizierung der ReynoldszahlNäherungsweise Abbildung der Verteilung zwischen lam<strong>in</strong>arer und turbulenter StrömungMöglichkeiten zur TransitionsfixierungNiedergeschw<strong>in</strong>digkeitsbereich- aufgeklebtes ZackenbandHochgeschw<strong>in</strong>digkeitsbereich- Karborund, aufgeklebtes MetallpulverSchlechte Reproduzierbarkeit, Verunre<strong>in</strong>igung der Strömung im W<strong>in</strong>dkanal durch abgelösteKarborundteilchen ⇒ Modell wird 'sandgestrahlt'- aufgeklebte Zyl<strong>in</strong>der (dots)Hohe Reproduzierbarkeit, konstanter Abstand der Störstellen__________________________________________________________________________________________________________Folie 15 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bsp.:Erzw<strong>in</strong>gung der Transition zur Vermeidung von Ablösung am Höhenruder (Zackenband)__________________________________________________________________________________________________________Folie 16 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bsp.:Erzw<strong>in</strong>gung von Transition zur Nachbildung der Verteilung lam<strong>in</strong>arer und turbulenterGrenzschicht (dots)Discheight hDiscdiameter dDiscspac<strong>in</strong>g xLocationXR XT[mm] [mm] [mm] [mm] [mm]W<strong>in</strong>g 23.0 4.2Canard 4.6 1.5F<strong>in</strong> 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 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bsp.:Erzw<strong>in</strong>gung von Transition durch 'dots'__________________________________________________________________________________________________________Folie 18 von 58
Fluidmechanik Kapitel 2 – <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bsp.:Erzw<strong>in</strong>gung von Transition durch 'dots'__________________________________________________________________________________________________________Folie 19 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.2 Erste Versuche: Otto Lilienthal, Gustaf Weißkopf und Gebr. WrightErste, weniger erfolgreiche Versuche: Aerial Steamer, Thomas Moy 1875⇒Entwicklung von Fluggeräten erfordert e<strong>in</strong>e systematische Problemlösungsstrategie__________________________________________________________________________________________________________Folie 20 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Systematische Herangehensweise: Otto LilienthalVersuchsaufbau von O. Lilienthal zur <strong>Prof</strong>iluntersuchung__________________________________________________________________________________________________________Folie 21 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Gustaf WeißkopfG. Weißkopf mit se<strong>in</strong>em Fluggerät Nr. 21__________________________________________________________________________________________________________Folie 22 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Replika des Fluggeräts Nr. 21 von G. Weißkopf <strong>in</strong> Manch<strong>in</strong>g__________________________________________________________________________________________________________Folie 23 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Gebr. WrightW<strong>in</strong>dkanal und Gleiter Nr. 3 der Gebr. Wright__________________________________________________________________________________________________________Folie 24 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.3 E<strong>in</strong>teilung der W<strong>in</strong>dkanäle2.3.1 Unterscheidung nach MachzahlE<strong>in</strong>teilung entsprechend dem Betriebsbereich- Unterschallkanal, <strong>in</strong>kompressibel: 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 <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.3.1 Unterscheidung nach BetriebsdauerKont<strong>in</strong>uierlicher Betrieb, Kanäle geschlossener Bauart mit StrömungsrückführungNiedergeschw<strong>in</strong>digkeits-, Transsonik-, Überschall- und PlasmakanäleIntermittierend arbeitende KanäleHoher Energieaufwands im Hyperschallbereich, Meßzeiten <strong>in</strong> der Größenordnung von⇒ M<strong>in</strong>uten ('blow-down-Kanal')⇒ Millisekunde (Stoßwellenkanal) liegen.Hauptmerkmal der Unterscheidung entsprechend der Duplizierung- Geschw<strong>in</strong>digkeit ('kalter' Hyperschall) ⇒ Kräfte, Momente- Enthalpie ('heißer' Hyperschall) ⇒ Temperaturen, Wärmeübergänge__________________________________________________________________________________________________________Folie 26 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Niedergeschw<strong>in</strong>digkeitsw<strong>in</strong>dkanäle (M
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________E<strong>in</strong>satzbereichSehr ger<strong>in</strong>ger Turbulenzgrad ⇒ Untersuchung von <strong>Prof</strong>ilen im Niedergeschw<strong>in</strong>digkeitsbereichz.B. TU Delft oder IAG der Universität StuttgartIn seltenen Fällen auch Erzeugung von Trans- und Überschallströmungen (Institut für Luft- undRaumfahrt der TU Berl<strong>in</strong>)SiebeGleichrichterDiffusorGebläseMeßkammerEiffel-W<strong>in</strong>dkanal__________________________________________________________________________________________________________Folie 28 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Geschlossene Kanäle oder Kanal Gött<strong>in</strong>ger BauartGeschlossene Bauart (Gött<strong>in</strong>ger Kanal), TU-München W<strong>in</strong>dkanal A__________________________________________________________________________________________________________Folie 29 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Transsonischer W<strong>in</strong>dkanal (0.4 < M < 1.2)Austausch von Düse/Meßstrecke ⇒ Erweiterung des Betriebsbereich von M = 0.4 auf M = 2.0Sehr hoher Energiebedarfs bei kont<strong>in</strong>uierlichem Betrieb (bis zu 70 MW) ⇒ kle<strong>in</strong>ere MeßstreckeTranssonischer W<strong>in</strong>dkanal Gött<strong>in</strong>gen (TWG)__________________________________________________________________________________________________________Folie 30 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Eurofighter-Modell (Maßstab 1:15), TWT CALSPAN Buffalo NY, USA__________________________________________________________________________________________________________Folie 31 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Hyperschallw<strong>in</strong>dkanäle (M>5)Duplizierung der Geschw<strong>in</strong>digkeit ('kalter' Hyperschall) oder der Enthalpie ('heißer' Hyperschall)VKI hypersonic tunnel H-3 blow-down facility__________________________________________________________________________________________________________Folie 32 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Modell des Raumtransporters Sänger mit Oberstufe Horus, H2K DLR Köln__________________________________________________________________________________________________________Folie 33 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Stoßwellenkanal (heißer Hyperschall)Hochenthalpie-W<strong>in</strong>dkanal Gött<strong>in</strong>gen (HEG)__________________________________________________________________________________________________________Folie 34 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.4 W<strong>in</strong>dkanal<strong>in</strong>strumentierung2.4.1 KraftmessungenVerwendung <strong>in</strong>terner oder e<strong>in</strong>e externer HauptwaagenProblemKraft- und momentfreie Überbrückung der Waage durch Instrumentierungs-, <strong>Dr</strong>uckluft- oderHydraulikleitungen zur Simulation von TriebwerksstrahlenW<strong>in</strong>dkanalmodell mit <strong>in</strong>terner Waage und Heckstielaufhängung__________________________________________________________________________________________________________Folie 35 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Interne 6-Komponentenwaagen, TASK (Kraftwaage)__________________________________________________________________________________________________________Folie 36 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Externe W<strong>in</strong>dkanalwaage, University of Wash<strong>in</strong>gton__________________________________________________________________________________________________________Folie 37 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Bestimmung von Schnittlasten, AußenlastenEADS Außenlastwaage für das Modell (1:15) e<strong>in</strong>er Luft-Boden-Waffe,__________________________________________________________________________________________________________Folie 38 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.4.2 <strong>Dr</strong>uckmessungenBelastungsmechanik erfordert Lastverteilung an e<strong>in</strong>zelnen Baugruppen, z.B. am Tragflügel oder anTriebwerksgondelnKlassische VerfahrenVerwendung von <strong>Dr</strong>uckmodellen, mit e<strong>in</strong>er Vielzahl von statischen und dynamischen<strong>Dr</strong>uckmeßstellenAufwand- Fertigung e<strong>in</strong>es <strong>Dr</strong>uckverteilungsmodells- Modell<strong>in</strong>strumentierung- Reduzierung des Aufwands durch optische Meßverfahren, z.B. druckempf<strong>in</strong>dlicher Farbe(pressure sensitive pa<strong>in</strong>t PSP), Laser-Doppler-Verfahren__________________________________________________________________________________________________________Folie 39 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________PSI-Modul__________________________________________________________________________________________________________Folie 40 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Military AircraftMako High Speed ModelDNW – High Speed Tunnel/AmsterdamTP 3 Sept.2002Page 1 Aerodynamischer Versuch MT634 – <strong>Dr</strong>. <strong>Peter</strong> Hakenesch – 09. März 2005 - OttobrunnPressure Sensitive Pa<strong>in</strong>t (PSP)__________________________________________________________________________________________________________Folie 41 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Optische Verfahren: <strong>Dr</strong>uckempf<strong>in</strong>dliche Farbe (PSP pressure sensitive pa<strong>in</strong>t)Military AircraftOptische Meßtechnik - PSPUV-LichtO 2Lum<strong>in</strong>eszenzPhosphoreszenz(10 -4 - 1 s)Fluoreszenz10 -9 - 10 -5 s)20 - 40 μ(10 -9 DLRAktive Schicht(<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em transparenten Polymer)20 μDeckschichtModelloberfläche<strong>Dr</strong>uckempf<strong>in</strong>dliche MoleküleReferenzmolekülePr<strong>in</strong>zip des optischen Sensors (B<strong>in</strong>ärfarbe)__________________________________________________________________________________________________________Folie 42 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________PC1Camera boards500 MHzflashlampWSCCD1CCD2flash lampCCD8CCD7CCD3CCD4flash lampPC2Synch. boardCCD5CCD6flashlampSeite 61 von 74PSP Versuchsanordnung im transsonischen W<strong>in</strong>dkanal DNW/HSTMehrfach CCD-Kameras, Beleuchtung und Datenerfassung<strong>Dr</strong>. <strong>Peter</strong> Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 43 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________FlugphysikOptische Meßtechnik - PSPMako Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsmodell360° PSP <strong>Dr</strong>uckverteilung -lowpressurehighSeite 63 von 74<strong>Dr</strong>. <strong>Peter</strong> Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 45 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________FlugphysikOptische Meßtechnik - Funktionale SchichtenOptische Meßtechnik - Funktionale SchichtenSelbstleuchtende Folie auf Flügel-H<strong>in</strong>terkantenklappeSeite 64 von 74<strong>Dr</strong>. <strong>Peter</strong> Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 46 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________FlugphysikOptische Meßtechnik - Funktionale SchichtenAufgesprühte selbstleuchtende Schicht auf Mako-CockpitSeite 65 von 74<strong>Dr</strong>. <strong>Peter</strong> Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 47 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Analyse von Rohrströmungen - E<strong>in</strong>laufmessungen: Instrumentierung5-Lochsonde__________________________________________________________________________________________________________Folie 48 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Military AircraftE<strong>in</strong>laufmeßtechnik – Triebwerk/Zelle IntegrationTW-Lufte<strong>in</strong>laufHilfse<strong>in</strong>laufKompatibilitätHeck-Var. Geometrie- Grenzschicht-Absaugung- E<strong>in</strong>laufleistung-Vorkörperkontur- Position-Größe- Distortion- <strong>Dr</strong>all- Lasten- TW surge- Var. Geometrie- Schubumkehr- Heckwiderstand- SchubvektorsteuerungHeckmodellE<strong>in</strong>laufmodellHeckwiderstand<strong>Dr</strong>uckrückgew<strong>in</strong>n / Überlaufwiderstand / Flow distortionBuffetPage 1 Aerodynamischer Versuch MT634 – <strong>Dr</strong>. <strong>Peter</strong> Hakenesch – 09. März 2005 - OttobrunnE<strong>in</strong>laufmeßtechnik__________________________________________________________________________________________________________Folie 49 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Optische Verfahren: Laser-Doppler-VerfahrenOptische Meßzelle konventioneller <strong>Dr</strong>uckmeßrechen__________________________________________________________________________________________________________Folie 50 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________FlugphysikOptische Meßtechnik - DGV<strong>Dr</strong>uckmodulOptische Meßtechnik (DGV)Schnittstelle E<strong>in</strong>lauf/TriebwerkVor E<strong>in</strong>lauf-AnsaugquerschnittTOPTOPIntakelook<strong>in</strong>gaftStrömungsw<strong>in</strong>kel Totaldruck Isobaren Strömungsw<strong>in</strong>kel + Geschw<strong>in</strong>digkeitSeite 58 von 74<strong>Dr</strong>. <strong>Peter</strong> Hakenesch - Flugphysik EADS__________________________________________________________________________________________________________Folie 51 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.4.3 TemperaturmessungenHERMES Hyperschallmodell zur Wärmeübergangsmessung__________________________________________________________________________________________________________Folie 52 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Dynamische Meßtechnik⇒⇒Bestimmung dynamischer Derivativa, z.B. Rolldämpfung clpTrudelanalyseFORCED OSC.MPGRotary.mpgCOMB MOTION.MPG__________________________________________________________________________________________________________Folie 53 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________2.4.4 W<strong>in</strong>dkanalkorrekturenProblem- Großausführung bewegt sich durch die ungestörte Atmosphäre- Modell ist durch Aufhängungs- und Verstellvorrichtung <strong>in</strong> e<strong>in</strong> erdfestes System e<strong>in</strong>gebunden⇒ E<strong>in</strong>fluß der Modellaufhängung und räumlichen Begrenzung durch Kanalwände⇒ Versperrung⇒ Veränderung der <strong>Dr</strong>uckverteilung <strong>in</strong> der Meßstrecke⇒ Verfälschung der Modellgeometrie im Heckbereich zu berücksichtigen (Heckwiderstand)Kle<strong>in</strong>e Modellgröße⇒⇒⇒Ke<strong>in</strong>e korrekte Triebwerksimulation, Triebwerke bzw. SchubcharakteristikLediglich Nachbildung des durchströmten TriebwerkskanalsMessung des <strong>in</strong>ternen Durchflußwiderstands durch <strong>Dr</strong>uckmeßrechen imDüsenaustrittsquerschnitt__________________________________________________________________________________________________________Folie 54 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________E<strong>in</strong>fluß der MeßstreckenwändeSignifikanter Unterschied zwischen- Unterschallkanälen,- Transschall-, bzw. Überschallkanälen und- HyperschallkanälenUnterschallStörungen wirken auch stromaufwärts, z.B. Versperrung durch Modell⇒ Ablenkung der Stroml<strong>in</strong>ien, mit entsprechender Auswirkung auf die aerodynamischen BeiwerteTranssonikBe- bzw. Entlüftung der Meßstrecke durch perforierte oder geschlitzte Wänden,Korrektur der <strong>Dr</strong>uckverteilung <strong>in</strong> der Meßstrecke durch Bee<strong>in</strong>flussung des Nebenstromverhältnisses__________________________________________________________________________________________________________Folie 55 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________ÜberschallEntlüftung bewirkt Verr<strong>in</strong>gerung der Stärke der an den Wänden zu dem Modell reflektierten Stöße,welche durch die stoß<strong>in</strong>duzierte <strong>Dr</strong>uckverteilung die Kraftmessung verfälschenIdealfallDurch <strong>Dr</strong>uckanstieg h<strong>in</strong>ter dem Stoß wird genau so viel Luft durch die Entlüftung gepreßt, daß der<strong>Dr</strong>uck h<strong>in</strong>ter 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 Anstellw<strong>in</strong>kelab⇒ In der Realität stellt sich kaum e<strong>in</strong> <strong>in</strong>terferenzfreier Zustand e<strong>in</strong>⇒ Luft strömt durch die Entlüftungsöffnungen wieder <strong>in</strong> die Meßstrecke zurück⇒ Bee<strong>in</strong>flussung des Strömungsfelds stromabwärts__________________________________________________________________________________________________________Folie 56 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________AbhilfeM<strong>in</strong>imierung der Wande<strong>in</strong>flüsse im Transsonikbereich durch Verwendung von Modellen, die ledigliche<strong>in</strong>e maximale Versperrung der Meßstrecke von e<strong>in</strong>em 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 e<strong>in</strong>gefrorenen Strömung im Hyperschall⇒ Luftchemie wird trotz gleichem Enthalpieniveau im Versuch nicht korrekt dupliziertDüsenkorrekturNicht optimal ausgelegte Düse bei W<strong>in</strong>dkanälen⇒ <strong>Dr</strong>uckgradienten <strong>in</strong> axialer Richtung⇒ Gradient <strong>in</strong> der Machzahl⇒ Korrektur durch Kalibrierung der Meßstrecke, Berücksichtigung bei der Datenauswertung__________________________________________________________________________________________________________Folie 57 von 58
Aerodynamik des Flugzeugs <strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälen__________________________________________________________________________________________________________Übungen zum Kapitel 2.<strong>Strömungssimulation</strong> <strong>in</strong> W<strong>in</strong>dkanälenA2.1 Ähnlichkeitskennzahlen bei W<strong>in</strong>dkanalversuchenWelche Ähnlichkeitskennzahlen sollten Sie bei W<strong>in</strong>dkanaluntersuchungen, <strong>in</strong>sbesondere bei <strong>Prof</strong>iloderGrenzschichtuntersuchungen duplizieren? Geben Sie e<strong>in</strong>e physikalische Def<strong>in</strong>ition derParameter an.A2.2 E<strong>in</strong>teilung von W<strong>in</strong>dkanälenNach welchen Kriterien lassen sich W<strong>in</strong>dkanaltypen unterscheiden?A2.3 Lam<strong>in</strong>arw<strong>in</strong>dkanalSie s<strong>in</strong>d bei e<strong>in</strong>em Hersteller für W<strong>in</strong>dkraftanlagen beschäftigt und werden mit der Entwicklung e<strong>in</strong>esneuen <strong>Prof</strong>ils beauftragt. Welchen Typ von W<strong>in</strong>dkanal wählen Sie für diese Untersuchung aus undwarum?Den ersten Teil der Messungen führen Sie im Juli, bei e<strong>in</strong>er durchschnittlichen Temperatur von 35°Cund e<strong>in</strong>em auf Meeresniveau (MSL) bezogenen Luftdruck von 980 hPa durch. Den zweiten Teil derMessung schließen Sie im Dezember, bei e<strong>in</strong>er durchschnittlichen Temperatur von -20°C und e<strong>in</strong>emLuftdruck von 1020 hPa ab.Verwundert stellen Sie fest, daß die Ergebnisse nicht zusammen passen, warum?__________________________________________________________________________________________________________Folie 58 von 58