docVerbesserung der Langsamflugeigenschaften des Doppeldeckers
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Verbesserung der Langsamflugeigenschaften des Doppeldeckers
Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Verbesserung der Langsamflugeigenschaften des Doppeldeckers FK-12 Comet mit Hilfe von Strömungssimulationen Tim Federer∗ , Peter Funk∗∗ , Michael Schreiner∗ , Christoph Würsch∗ , Ramon Zoller∗ ∗ Institut für Computational Engineering ICE, NTB Buchs ∗∗ FK-Leichtflugzeuge, Institut für Computational Engineering ICE Speyer Michael.Schreiner@ntb.ch 1 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren FK-12 Comet Konstruktion 1997 Ultraleichtflugzeug 100 PS Maximales Abfluggewicht: 450 kg Die Zulassung erfordert, dass das Flugzeug mit 65 km/h fliegen kann. Dies beschränkt bei der FK-12 die maximale Abflugmasse auf 450 kg. Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 2 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Auftrieb cL Auftrieb: FL = ρ AcL v 2 2 Der Auftriebskoeffizient hängt vom Anstellwinkel ab. AOA Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 3 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Auftrieb cL Auftrieb: FL = ρ AcL v 2 2 Strömungsabriss Der Auftriebskoeffizient hängt vom Anstellwinkel ab. AOA Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 4 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Ziele Auftrieb bei hohen Anstellwinkeln erhöhen Simulation im Übergangsbereich laminar/turbulent, also Transition-Modell notwendig. Maßnahmen zur Auftriebserhöhung: Anpassung der Landeklappen zu Spaltklappen (bei der S2 realisiert) Vortexgeneratoren (kann bei der S1 nachträglich umgesetzt werden) Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 5 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Gliederung 1 Einleitung 2 Von der überströmten Platte zum γ-Reθt –Modell 3 Neues Klappendesign 4 Einsatz von Vortexgeneratoren Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 6 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Gliederung 1 Einleitung 2 Von der überströmten Platte zum γ-Reθt –Modell 3 Neues Klappendesign 4 Einsatz von Vortexgeneratoren Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 7 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Natural Transition Turbulence Intermittency γ=0 : laminar γ=1 : turbulent 0 < γ < 1 : Transition Beginn des Umschlags Rex ≈ 8 · 104 Strömung turbulent γ=0 0<γ<1 Institut für Computational Engineering ICE γ=1 Rex ≈ 3 · 105 Michael.Schreiner@ntb.ch 8 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Beschreibung der Randschicht-Dicke 99%–Dicke δ0.99 : Dicke ist definiert, wo u = 0.99U∞ Verdrängungsdicke δ: Z ∞ u(y ) δ= 1− dy U∞ 0 Impulsverlustdicke θ: Z ∞ u(y ) u(y ) 1− dy θ= U∞ U∞ 0 Ähnlichkeitsmaß über Momentum Thickness Reynolds Number: Reθ = Institut für Computational Engineering ICE θU∞ ν Michael.Schreiner@ntb.ch 9 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Beginn der Transition, falls Reθ > Reθt . Reθ Reθt Rex Rex = 8 · 104 Transition Onset Reynolds Number Reθt ≈ 250 (bei überströmter Platte) Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 10 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren CFD–Implementierung mit RANS Es müssen sowohl laminare als auch turbulente Randschichten möglich sein. Also y + ≈ 1. Intermittency ist neue Variable γ (γ = 0: laminar, γ = 1: turbulent) . γ dient als Turbulenz–Quelle für die Turbulenz–Energie. Turbulenz-Beginn definiert durch Reθt . Im Allgemeinen ist Reθt nicht konstant, sondern hängt ab von free stream–Geschwindigkeit, Druckgradient, etc. Also muss Reθt eine neue Variable werden, die Informationen von der Umgebung zum Rand transportiert. Transition–Modell: Gleichungen für γ und Reθt . Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 11 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren CFD–Implementierung mit RANS (2) Bedingung für Turbulenz-Erzeugung ist Reθ > Reθt . Aber Reθ ist nicht berechenbar. Abhilfe: Vorticity Reynolds number: Rev = ρy 2 ρy 2 ∂u = ω µ ∂y µ (y ist der Wandabstand). In der laminaren Grenzschicht gilt Reθ = max Rev 2.193 Turbulenz–Erzeugung (Quelle in der Gleichung für γ) Rev > 2.193Reθt Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 12 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Turbulence Intermittency, AOA = 5◦ , 10◦ Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 13 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Turbulence Intensity, AOA = 5◦ , 10◦ Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 14 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Gliederung 1 Einleitung 2 Von der überströmten Platte zum γ-Reθt –Modell 3 Neues Klappendesign 4 Einsatz von Vortexgeneratoren Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 15 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Werbung ... Informationen gibt es an den Ständen der Hochschulen ... Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 16 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Neues Klappendesign FK 12 Comet S1 FK 12 Comet S2 450 kg 472.5 kg Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 17 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Velocity u, Vergleich S1 und S2 Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 18 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Turbulence Intermittency, Vergleich S1 und S2 Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 19 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Auftriebspolare, Vergleich S1 und S2 Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 20 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Gliederung 1 Einleitung 2 Von der überströmten Platte zum γ-Reθt –Modell 3 Neues Klappendesign 4 Einsatz von Vortexgeneratoren Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 21 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Vortexgeneratoren Die Randschicht wird turbulent. Dadurch wird Impuls aus den oberen Schichten zur Wand transportiert. Die Randschicht wird stabiler. Die Strömung reißt später ab. Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 22 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Validierung, u Experiment Institut für Computational Engineering ICE Simulation Michael.Schreiner@ntb.ch 23 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Randschicht, u, Experiment und Simulation Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 24 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Geschwindigkeit u, ohne und mit VG, 12 mm Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 25 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Turbulenz–Energie, ohne und mit VG Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 26 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Geschwindigkeit u, VG mit 12 mm und 24 mm Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 27 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Auftriebspolare im Vergleich (Abstand 30mm) Genügend Auftrieb bei hohem AOA Bei kleinem AOA ähnliche Charakteristik VG mit 24 mm haben mit 30 mm einen zu kleinen Abstand Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 28 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Fazit γ-Reθt funktioniert wie erwartet. Umschlag laminar/turbulent wird gut abgebildet. Wirkung der Spaltklappen gut vorhergesagt. Einfluss der Vortexgeneratoren werden gut simuliert. Parameterstudie zu Höhen und Abständen liefert Hinweise zu optimaler Größe, Position und Abständen. Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 29 Einleitung γ-Reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Quellen und Referenzen Bild p. 2: Jens Wiemann Bild p .4: Wikipedia, Jaganath Bild p. 8: White: Viscous Fluid Flow, McGraw Hill, 1991 Bild p. 9: Kuhlmann, Strömungsmechanik, Pearson, 2007 Bilder p. 17: Xavier Cotton und Gregor Behling Bild p. 22: Viktor Strausak Messungen Vortexgeneratoren: Clara Marika Velte. Characterization of Vortex Generator Induced Flow. Technical report, Technical University of Denmark, 2009. Institut für Computational Engineering ICE Michael.Schreiner@ntb.ch 30
