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TU Berlin

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Aktive Strömungskontrolle - Hochauftrieb

Projekte: IHK, M-Fly, AVERT, CS-JTI-SFWA

AFC an einer 2D slatlosen Hochauftriebskonfiguration

Die Nachfrage nach steigenden Luftfrachtkapazitäten, steileren Ab- und Anflugtrajektorien sowie kurzen Start- und Landestrecken verlangt u. a. eine stetige Weiterentwicklung der  Hochauftriebshilfen von Flugzeugtragflächen. Die Grenzen aktueller Klappensysteme werden durch die negativen Eigenschaften stark verzögerter Tragflügelumströmungen bestimmt, wie sie beispielsweise bei hohen Anstellwinkeln bzw. Klappenwinkel während Start oder Landung auftreten können. Wird die Strömung hierbei zu stark belastet, kann diese lokal, aber auch großflächig, vom Tragflügel ablösen, was mit einem massiven Auftriebsverlust und einem starken Widerstandsanstieg einhergehen kann. Ziel vieler Forschungsprojekte ist es Strömungsablösung schnell zu erkennen und durch aktive Maßnahmen zu verhindern, wodurch der Einsatzbereich konventioneller Klappensysteme signifikant erweitert werden könnte. Mit Hilfe einer derartigen Leistungssteigerung könnten die Komplexität, das Gewicht und die Abmessungen reduziert werden, was final in einer Reduktion der direkten operativen Kosten (DOC) resultieren kann.
Das Fachgebiet Aerodynamik der TU Berlin forscht daher schon seit vielen Jahren intensiv auf dem Gebiet der aktiven Hochauftriebsströmungskontrolle. Im Rahmen verschiedener Projekte, wie z. B. Innovative Hochauftriebs- Konfigurationen (IHK), Multidisziplinäre Flugphysikalische Optimierung (M-Fly), Aerodynamic Validation of Emission Reducing Technology (AVERT) oder jüngst Clean Sky Smart Fixed Wing Aircraft (CS-JTI-SFWA) wurden bzw. werden industrienahe Flügelmodelle bzw. Hochauftriebskonfigurationen mit aktiver Strömungskontrolle (AFC) an der Hinterkantenklappe unter zunehmend realistischeren Strömungsbedingungen untersucht mit dem Ziel turbulente Strömungsablösung effizient zu verhindern. Für die aktive Beeinflussung werden aktuell Druckluftaktuatoren eingesetzt. Diese bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten, einer Druckluftversorgung, einem Schnellschaltventil und einer Aktuatorkammer (s. Abb. 1).

Abb. 1: Komponenten eines Druckluftaktuators und Zeitschriebe einer Hitzdrahtmessung am Aktuatorausgang.
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Mit Hilfe des Schnellschaltventils können Frequenz und Pulsbreite der Anregung dem Strömungsfall angepasst werden. Die Amplitude wird über den Leitungsdruck bzw. den Massenstrom reguliert. Die Aktuatorkammer selbst dient zur Generierung eines auf den Anwendungsfall angepassten Jets. Durch die Aneinanderreihung mehrerer Aktuatorsegmente können ganze Flügelbereiche, z. Bsp. in Spannweitenrichtung, abgedeckt werden.
Die Untersuchungen im Rahmen der o. g. Projekte erfolgten bzw. erfolgen an einer 2D slatlosen Hochauftriebskonfiguration. Das Flügelmodell basiert dabei auf dem industrienahen F15-Modell des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), welches in der Clean-Konfiguration eine transonische Profilform aufweist (s. Abb. 2). Die Untersuchungen an der TUB wurden bei einer Reynolds Zahl von Rec≈1•106 durchgeführt. Alle Kräfte und Momente wurden dabei mit einer 6- Komponenten Windkanalwaage erfasst. Zusätzlich wurden Profildruckverteilungen auf dem Modell gemessen, um das lokale Strömungsverhalten zu erfassen.

Abb. 2: TUB-F15 Modell montiert in der Messstrecke.
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Abb. 3: Eine mögliche Aktuatorkonfiguration.
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In Abbildung 3 sind exemplarisch Auftriebs- und Widerstandspolaren für einen Klappenwinkel von δf=40° dargestellt. Im unangeregten Fall beträgt der maximale Anstellwinkel α≈8°. Für größere Anstellwinkel sinkt der Auftrieb und der Widerstand steigt signifikant an, was auf ein Überziehen des Modells unter den gegebenen Bedingungen hinweist.

Abb. 4:Exemplarische Ergebnisse, Re=1•10^6: Links: Auftriebspolare. Mitte: Widerstandspolare. Rechts: Effizienz der Anregung.
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Bei dieser Konfiguration wird durch gepulstes Ausblasen auf der Klappenoberseite der Auftrieb im linearen Bereich mit steigendem Impulsbeiwert signifikant um bis zu ΔCL≈0.5 gesteigert, während der Widerstand leicht reduziert wird. Der maximale Anstellwinkel nimmt dabei leicht ab. Zusätzlich ist in Abb. 3 die Effizienz der Anregung dargestellt. Für Anstellwinkel zw. α=0° und α=8° wird für den niedrigsten Impulsbeiwert jeweils die höchste Aktuatoreffizienz festgestellt, wobei mit steigendem Anstellwinkel die Aktuatoreffizienz sinkt. Nach Erreichen des maximalen Anstellwinkels kann durch gepulstes Ausblasen keine Steigerung des Auftriebs im Vergleich zum unbeeinflussten Basisfall verzeichnet werden, da die Strömung auf dem Hauptelement dann zu stark abgelöst ist.

In Abb. 5 sind exemplarisch die Profildruckverteilungen für einen Anstellwinkel von α=5° dargestellt. Die turbulente Strömungsablösung auf der Hinterkantenklappe beginnt dabei zwischen x/cflap=0.2 und x/cflap=0.3, was am konstanten Druckbeiwert erkennbar ist. Durch gepulstes Ausblasen werden die lokalen Drücke auf der Klappenoberseite im zeitlichen Mittel signifikant gesenkt und somit die turbulente Strömungsablösung vermieden. Mit steigendem Impulsbeiwert sinken die lokalen Profildrücke auf der Klappenoberseite weiter ab. Dieses Verhalten wirkt sich ebenfalls stromauf aus, wodurch die lokalen Profildrücke auf der gesamten Oberseite des Hauptelementes ebenfalls deutlich gesenkt werden. Durch die Unterdrückung der turbulenten Ablösung auf der Hinterkantenklappe wird die Abströmbedingung für die Flügelumströmung verbessert und es kann mehr Auftrieb am Hauptelement erzeugt werden. Zusätzlich sind in Abb. 5 exemplarisch Ölanstrichbilder für die Fälle ohne und mit aktiver Strömungskontrolle (AFC) dargestellt. Ohne AFC treten große Ablösegebiete in der Mitte und an den Rändern der Klappenoberseite auf. Zwischen den Ablösegebieten gibt es Bereiche in denen die Strömung länger anliegt. Obwohl eine zweidimensionale Flügelkonfiguration verwendet wurde, ist der Charakter der Ablösung stark dreidimensional, was auch durch die verwendeten Klappenhalter mit begründet ist. Durch Aktivierung der gepulsten Ausblasung liegt die Strömung direkt hinter den Ausblasschlitzen für den dargestellten Fall vollständig an. Zwischen den Ausblaspositionen liegt die Strömung für längere Distanz an und löst erst weiter stromab im Vergleich zum Basisfall von der Klappe ab.

Abb. 5: Exemplarische Ergebnisse, Re=1•10^6: Links: Profildruckverteilung. Rechts: Ölanstrichbilder.
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Die Ergebnisse zeigen sehr eindrucksvoll das Potential dieser Strömungskontrolltechnik. Im Rahmen fortlaufender Untersuchungen werden die verwendeten Aktuatoren stetig weiterentwickelt und schrittweise bei realistischeren Strömungsbedingungen (Re- & Ma- Zahl) eingesetzt, um weitere Effizienzsteigerungen zu erreichen.

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. W. Nitsche
Dipl.-Ing. Frank Haucke (M-Fly, AVERT WP2, CS-JTI)

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