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TU Berlin

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MoveOn

Versuchsaufbau im NWB
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Mechanische Hochauftriebshilfen wie Vorflügel oder Hinterkantenklappen an Tragflügeln moderner Verkehrsflugzeuge sind notwendig um die gewünschten aerodynamischen Eigenschaften auch in Phasen des Langsamflugs zu gewährleisten. Aufgrund der Entwicklungen im Flugzeugentwurf, wie den Einsatz von stark dreidimensionalen Geometrien im Außenflügelbereich, ist die Integration dieser Hochauftriebshilfen jedoch an einigen spannweitigen Positionen schwierig oder schlicht unmöglich. Dies führt dazu, dass Bereiche des Tragflügels bereits bei niedrigeren Anstellwinkeln zu lokaler Ablösung neigen, obwohl der Gesamtflügel bei höheren Anstellwinkeln weiterhin zur Erzeugung von Auftrieb in der Lage ist. Die lokale Ablösung bedingt jedoch eine Zunahme von Widerstand in einem Anstellwinkelbereich deutlich unterhalb des Maximalanstellwinkels.

Als eine mögliche Ergänzung zu mechanischen Hochauftriebshilfen wird in diesen kritischen Bereichen deswegen die aktive Kontrolle der Strömung, beispielsweise durch das periodische Ausblasen von Druckluft, in Erwägung gezogen. Diese erlaubt es durch eine Steigerung der turbulenten Durchmischung des strömenden Fluids das Auftreten von Ablösung hin zu höheren Anstellwinkeln zu verschieben und somit den Haupteffekt eines Vorflügels nachzubilden.

Als Modell für die Versuche  im Rahmen des LuFo VI Verbundvorhabens MOVE.ON - Projekt AFCOW (AP1200, TU Braunschweig, DLR  und TU Berlin) kam ein Windkanalmodell eines realistischen, komplexen, dreidimensionalen Außenflügels zum Einsatz an dem eine aktive Widerstandsreduktion und die Erhöhung des maximalen Anstellwinkels  das Hauptziel waren, Bild 1 (Versuchsaufbau DNW-NWB).

Zu diesem Zweck wurden Vorversuche in Großen Windkanal (Ma=0,1) der TU Berlin (Institut für Strömungsmechanik und Akustik) und eine weitere Versuchsreihe im DNW-NWB am DLR Braunschweig (Ma=0,2) durchgeführt.

Schaltvorgang eines fluidischen Aktuators
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Die aktive Ablösekontrolle wird in diesem Projekt mit einem fluidischen Aktuator realisiert, welche bereits in früheren Versuchen im Flügelnasenbereich zum Einsatz kam. Um einen möglichst effizienten Einsatz der eingesetzten Energie gewährleisten zu können, wurden die sogenannten FluidicAmplifier eingesetzt. Im Gegensatz zu der "klassischen" Anordnung- Druckversorgung => Schnellschaltventil =>Aktuatorkammer - können mit diesem Prinzip die auftretenden Druckverluste minimiert werden. Hintergrund hierbei ist, dass der Hauptvolumenstrom nicht mehr über das Schnellschaltventil, welches aufgrund seiner beweglichen mechanischen Bauteile große Druckverluste aufweist, geführt werden muss. Zur Erzeugung des pulsierenden Jets wird lediglich der Kontrollvolumenstrom, in der Regel 10% vom Hauptvolumenstrom, über die Schnellschaltventile geleitet, Bild 2. Die Steuerung der Kontrollports kann allerdings auch vollständig ohne bewegliche mechanische Bauteile (Schnellschaltventile) umgesetzt werden. In diesem Fall wird der Schaltzyklus über eine weitere fluerische Stufe  realisiert. Diese Aktuatortyp kam zusätzlich zu den schnellschaltventilgesteuerten in den DNW-NWB  Versuchen zum Einsatz.

Ölanstrichbild
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Die Grundströmung des Modells weist eine sehr komplexe Strömungskonfiguration auf, Bild 3. Hervorgerufen einerseits durch die einsetzende Ablösung vom Flügelaußenbereich in den Innenbereich bei großen Anstellwinkel und andererseits durch die sich ausbildenden Längswirbel an der Slatendkante und der Wandgrenzschichtinterferenz zwischen Modell und Kanalwand (ISTA-Versuch keine splitterplate).

Im ISTA-Modell wurden ausschließlich die ventilgesteuerten Aktuatoren in drei verschiedene Aktuatorsegmente integriert. Die Segmente S1 bis S3 können unabhängig voneinander angesteuert und demzufolge mit unterschiedlichen Impulsbeiwerten und Anregefrequenzen betrieben werden. Insgesamt besteht das Anregesystem aus 28 Schlitzen, wobei Segment S1 und Segment S2 aus jeweils 5 Einzelaktuatoren bestehen, Segment 3 weist hingegen nur 4 Einzelaktuatoren auf. Die Aktuatoraustrittsöffnungen sind bei den Segmenten  S2 und S3 nicht parallel zur Flügelvorderkante ausgerichtet, Bild 4.

 

 

Fluidisches Aktuatorkonzept
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Widerstands- und Auftriebspolaren für verschiedene Impulsbeiwerte
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Vergleich unterschiedlicher Impulsbeiwerte bei Variation der Anregesegmente
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In den Voruntersuchungen im GroWika der TU Berlin wurde gezeigt, dass aktive Strömungskontrolle mittels gepulsten Ausblasens das Einsetzen der Ablösung und damit den sprunghaften Anstieg des Widerstandsbeiwertes und den Einbruch des Auftriebsbeiwertes um vier Grad hin zu höheren Anstellwinkeln zu verschieben. Daraus resultiert eine impulsbeiwertabhängige Reduktion des Widerstandbeiwertes um bis zu 40% bei gleichzeitiger Erhöhung des Auftriebsbeiwertes um bis zu 11%. Durch geeignete Verteilung der eingesetzten Aktuationsleistung ist es möglich, bei gleichem aerodynamischem Zugewinn den dafür notwendigen Impulsbeiwert deutlich zu reduzieren, Bild 5.

In den Versuchen im DNW-NWB kamen beide Aktuatorsegmente zum Einsatz. Hierbei zeigte sich bei der höheren Mach-Zahl von M=0,2 und dem daraus resultierenden unterschiedlichen Ablöseverhalten gegenüber den Vorversuchen der Vorteil der fluerisch schaltenden Stufe. Zurückzuführen ist dies zum Großteil auf die weiter stromauf gelegenen Aktuatorschlitze gegenüber der ventilgesteuerten Stufe.

Detaillierte Untersuchungen zur Segmentvariation und Variation der Anregeintensität ergaben, dass es am Effektivsten ist Segment 1 und 3 zur aktiven Strömungskontrolle an diesem Modell zu nutzen, siehe Bild 6 links. Bei dieser Konstellation ergaben sich Widerstandsreduktionen bis 37%, Auftriebsgewinne bis 10% sowie eine Erhöhung des maximalen Anstellwinkels von über 2°.

In Bezug auf die Hystereseuntersuchungen konnte festgestellt werden, dass der Einsatz aller drei Segmente die Hysterese vollständig unterdrückt.

 

 

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