B02: Ausnutzung der aerodynamischen Wechselwirkung zwischen Propeller und Flugzeug durch integriertes Design

Disziplin Aerodynamik

Das Projekt B02 befasst sich mit der Erforschung lokaler, instationärer aerodynamischer Wechselwirkungen zwischen Propeller und Laminarflügel. Um den Gesamtwirkungsgrad eines Flugzeugs zu erhöhen, soll untersucht werden, ob ein Bereich laminarer Strömung trotz des Einflusses der Propellerströmung auf den Grenzschichtumschlag beibehalten werden kann. Das Projekt basiert auf hochauflösenden CFD-Simulationen mit dem DLR-Strömungslöser TAU sowie zeitaufgelösten Experimenten in einem Laminarwindkanal. In der ersten Förderphase werden grundsätzlichen Parameterabhängigkeiten der Propeller-Flügel-Interaktionen identifiziert. Dabei werden eine integrierten Designmethode entwickelt die auf Ersatzmodellen basiert und Multi-Fidelity-CFD-Methoden kombiniert. In den folgenden Förderphasen werden der Propeller und die Form eines widerstandsarmen Laminarflügels so optimiert, dass der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird.

Motivation

Propeller-Flügel-Wechselwirkungen können die Gesamtwirkungsgrad des Flugzeugs erhöhen. Allerdings kann der zeitlich veränderliche Propellereinfluss auf den Übergang der Flügelgrenzschicht die viskose Strömungswiderstand erhöhen.

  • Wie beeinflussen instationäre aerodynamische Wechselwirkungen zwischen periodischen Blattwirbeln und laminaren Tragflächen das Verhalten der Grenzschicht und den Energiehaushalt? → Validierung und Verbesserung von CFD-Modellen
  • Wie kann ein integriertes Design die Wechselwirkungen zwischen Propeller und Flügel systemübergreifend nutzen, um den Gesamtwirkungsgrad des Flugzeugs zu verbessern? → Wirbelrückgewinnung, Anstieg des Auftriebs, Verzögerung der Ablösung, Übergang der Grenzschicht

Ziel

Untersuchung des Propellereinflusses auf die Grenzschicht laminarer Tragflächen und dessen Berücksichtigung im integrierten Design (Systemübergreifend).

  • Untersuchung des Übergangs der Grenzschicht aufgrund eines Zugpropellers vor einer laminaren Tragfläche (Konfig. 2a, DP)
  • Erstmalige Modellierung des Übergangs durch den Blattwirbel mit CFD
  • Identifizierung der hauptsächlichen Parameterabhängigkeiten mittels Surrogatmodell

Lösungsansatz

Das Projekt setzt auf einen doppelten Ansatz, der numerische Simulationen und experimentelle Tests im IAG Laminar Wind Tunnel (LWT) kombiniert.
Die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Propeller und laminarer Tragfläche umfasst CFD-Studien, die vollständig aufgelöste Propeller und Aktuatorleitungsmodelle nutzen, in Verbindung mit lokal korrelationsbasierten Übergangsmodellen (γ-ReΘ, DLR-γ). Die Windkanalmessungen zeichnen sich durch eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung aus und ergänzen die Analysen. Darüber hinaus wird die Verbesserung der Auflösung von Tragflächenwirbeln (AZDES) und die Bewertung des Einflusses der Grenzschicht (IDDES) mittels DES-Methoden erforscht.
Es wird eine Energiebilanzanalyse durchgeführt, um Dissipationsquellen und Leistungsgewinne zu quantifizieren, wobei insbesondere die numerische Dissipation im Propeller-Nachstrom untersucht wird.
Im Bereich der integrierten Entwurfsmethodik wird ein variabel-fideles Ersatzmodell entwickelt. Dieses Modell, das das Algebraische Spannungsmodell (RANS) und Aktuatorleitungs (URANS)-Methoden umfasst, untersucht die Auswirkungen von Entwurfsparametern wie der Anzahl der Blätter, dem Vorschubverhältnis und der Position des Propellers. Dabei werden auch die Effekte des Übergangs der Grenzschicht mit validierten Modellen berücksichtigt. Die resultierende Antwortfläche dient als wertvolle Ausgabe für den Flugzeugentwurf.

Rolle in SynTrac

2.5D Aerodynamik

  • Prop-Wing Response Surface
  • Angepasstes Übergangsmodell
  • Experimentelle Daten
  • Propellerdesign

An "B02: Ausnutzung der aerodynamischen Wechselwirkung zwischen Propeller und Flugzeug durch integriertes Design" beteiligte Personen