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TU Berlin

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Aktive Strömungskontrolle - Hochauftrieb

SFB 557 TP-A4

Aktive Ablösekontrolle an der Hinterkante eines Flugdemonstrators

In den letzten Jahren hat sich die aktive Strömungsbeeinflussung (Active Flow Control, AFC) zu einem wichtigen Forschungsgebiet innerhalb der Aerodynamik entwickelt. So konnte an zahlreichen Modellen, zum größten Teil generischer Art,  gezeigt werden, dass periodische Beeinflussungsmethoden zur Unterdrückung von Strömungsablösungen deutlich effizienter arbeiten als kontinuierliche Systeme. Durch eine Identifizierung effektiver Anregeparameter sowie einer optimierten Anordnung der Aktuatoren kann der Auftrieb von Hochauftriebskonfigurationen deutlich gegenüber den passiv-optimierten Varianten gesteigert werden.

Die in Windkanalversuchen erfolgreich eingesetzte aktive Strömungsbeeinflussung an Hochauftriebskonfigurationen soll an einem realen Versuchsträger –Motorsegler Stemme S10- zum Einsatz kommen.

 

Abbildung 1 : Versuchsträger Stemme S10 (links); Windkanalsegment (rechts)
Lupe

Dieses Flugzeug ist mit einer Wölbklappe ausgerüstet, die sowohl bei Start und Landung als auch im Langsamflug zur Auftriebserhöhung ausgeschlagen wird. Mithilfe der periodischen Beeinflussungsmethoden soll die Wirksamkeit der Wölbklappe auch bei höheren Klappenwinkeln gesteigert werden, da bereits bei relativ geringen Klappenwinkeln auf der Oberseite eine Ablösung auftritt.

Zur Übertragung der Methoden aus den Windkanalversuchen mit verschiedenen Hochauftriebskonfigurationen (Spaltklappen) auf die Wölbklappenkonfiguration und die Randbedingungen des Flugexperiments wurden Windkanalversuche durchgeführt. In diesem Zusammenhang erfolgten Versuche mit einem Original-Flügelsegment (Abbildung 1, rechts) im Großen Windkanal (GroWika) der TU Berlin. Ziel dieser Experimente war es, neben den aerodynamischen Untersuchungen zur Auftriebssteigerung und Widerstandsreduzierung, speziell auch für den Flugversuch geeignete Aktuatoren zu entwickeln und möglichst effektive  Anregeparameter (Frequenz, Amplitude, Schlitzposition, Ausblasrichtung) zu identifizieren.  Das druckluftbetriebene Anregesystem für die Windkanal- sowie Flugversuche bestand hierbei aus drei Hauptkomponeten, der Druckluftversorgung , den Schnellschaltventilen sowie den im Stereolithografieverfahren hergestellten Aktuatorkammern.

Für die  Windkanalmessungen im GroWika kam eine 6 Komponentenwaage zur Bestimmung der Auftriebs- und Widerstandswerte zum Einsatz. Aufgrund der auftretenden Verblockung im Windkanalversuch wurden die Meswerte mit Hilfe eines 2D – Windkanalkorrekturverfahrens korrigiert. Der Großteil der Versuche erfolgte bei einer Reynoldszahl von 1,75 ∙ 106, welche der zu erwartenden Reynoldszahl im Flugversuch entsprach.

Abbildung 2: Vergleich des Gleitverhältnisses CA / CW mit und ohne aktive Strömungsbeeinflussung
Lupe

In Abbildung 2 ist das Gleitverhältnis CA/CW über einen Anstellwinkelbereich von -5° bis 7° für einen Klappenwinkel von 16° dargestellt. Für die gewählten Anregeparameter, einer dimensionslosen Frequenz von F+ ≈ 0,5 und einem Impulsbeiwert von 0,1 Prozent, konnte eine Steigerung von bis zu 20 Prozent im Gleitverhältnis erzielt werden.

Mit den identifizierten Anregeparametern wurden die ersten Flugversuche mit  dem Motorsegler Stemme S10 der Stemme AG in Strausberg durchgeführt

Abbildung 3: Strömungsvisualisation mit Wollfäden im Flugversuch - Bild links: 10 Aktuatoren eingeschaltet; Bild rechts: 5 Aktuatoren ausgeschalten sowie 5 Aktuatoren eingeschaltet
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Abbildung 4: Klappendruckmessungen für den unangeregten und angeregten Fall im Flugversuch
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Neben 4 Druckmessungen direkt hinter der aktuierten Strömung konnten 4 Referenzdrucksensoren in der ungestörten Klappenströmung integriert werden, s. Abb. 3 links. Abbildung 4 zeigt die Druckdifferenzen (p -px) für die Referenzsensoren (ohne Anregung) sowie die Druckdifferenzen hinter einem Aktuator. Über den Referenzsensoren bildet sich ein Druckplateau aus, was auf eine abgelöste Klappenströmung schließen lässt. Zum gleichen Zeitpunkt ist im Druckschnitt hinter dem Aktuator ein Druckrückgewinn bei eingeschalteter Aktuatorik zu verzeichnen.

Das Video soll noch einmal die Wirksamkeit der Aktuatorik im Flugversuch aufzeigen. Hierbei kam die Aktuatorik Blockweise , s. Abbildung 3,  wechselseitig bei einer Fluggeschwindigkeit von uIAS=95km/h zum Einsatz.

Literatur

Publikationen

 

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. W. Nitsche
Dipl.-Ing. Thomas Grund (SFB 557, Teilprojekt A4)

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