Hubschrauber-Aeromechanik

Grundlagen

Das Institut für Aero- und Gasdynamik betreibt seit vielen Jahren intensive Forschung auf dem Gebiet der Hubschrauber-Aeromechanik.Das besondere Problem bei der numerischen Berechnung von Hubschrauberrotoren liegt in der Kopplung von Aerodynamik und Strukturdynamik begründet:
Die an einem Rotorblatt angreifenden aerodynamischen Lasten führen zu einer Deformation des Rotorblattes und dadurch wiederum zu veränderten Lasten. Dadurch wird auch in der Simulation eine gekoppelte Betrachtung von Aerodynamik und Strukturdynamik erforderlich. Die Hubschrauber- und Aeroakustikgruppe ist maßgeblich an der Entwicklung von aeroelastischen Verfahren zur numerischen Simulation von Hubschraubern beteiligt.

Bereits die isolierte aerodynamische Berechnung eines Hubschraubers ist aufgrund der vielfältigen auftretenden Strömungsphänomene komplex. Das Strömungsfeld um einen Hubschrauber im Vorwärtsflug ist hochgradig dreidimensional und instationär.Die Rotorblattumströmung beinhaltet sowohl transsonische Bereiche am vorlaufenden Blatt, als auch Bereiche mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit oder gar Rückanströmung im Innenbereich des rücklaufenden Rotorblattes. Darüber hinaus beeinflussen die vom Rotorblatt abgehenden Blattspitzenwirbel die Anströmverhältnisse auf die jeweils anderen Rotorblätter.

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Heutzutage werden zur aerodynamischen Simulation von Hubschrauberkonfigurationen in erster Linie CFD-Verfahren eingesetzt. Derartige Verfahren lösen die der Strömung zugrundeliegenden Erhaltungsgleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen) auf numerischem Wege unter Verwendung entsprechender Turbulenzmodelle. Über mehrere Jahre wurde in der Hubschrauber- und Aeroakustikgruppe dazu der Strömungslöser INROT entwickelt und angewendet. Seit einigen Jahren wird zusätzlich der Strömungslöser FLOWer des DLR eingesetzt, der mit seinen weitreichenden Möglichkeiten hinsichtlich Turbulenzmodellierung, Behandlung von Chimera-Mehrblocktopologien und Parallelisierbarkeit die Fähigkeiten von INROT übersteigt.

Ein spezielles Problem bei der aerodynamischen Simulation von Hubschrauberkonfigurationen mittels CFD stellt die Bewegung verschiedener Baugruppen, beispielsweise der Rotorblätter, relativ zueinander dar. Sowohl INROT als auch FLOWer verwenden zur Behandlung derartiger Relativbewegungen die Technik der überlappenden Netze, die auch als Chimera-Technik bezeichnet wird. Die Chimera-Technik ermöglicht den Strömungsaustausch zwischen Gitterstrukturen, die sich gegenseitig beliebig überlappen und deren Gitterknoten damit nicht aufeinanderfallen. Zur Simulation eines Rotors im Vorwärtsflug verwendet man demzufolge Rotorblattnetze, die die Rotorblattoberfläche beinhalten und in ein sogenanntes Hintergrundnetz eingebettet sind. Der Strömungsaustausch vom Hintergrundnetz in die Blattnetze wird durch Interpolation der Strömung vom Hintergrundnetz auf den Blockrand der Blattnetze gewährleistet. Um den Einfluss der Rotorblätter auf die Rotorumströmung aus den Blattnetzen zurück ins Hintergrundnetz übertragen zu können, werden entsprechende Bereiche um die Rotorblätter aus dem Hintergrundnetz ausgeblendet (sogenanntes, Hole Cutting). Die Strömung wird dann aus dem Blattnetz auf die Lochberandung im Hintergrundnetz interpoliert und damit zurück ins Hintergrundnetz übertragen.

Zur Berechnung der Strukturdynamik werden sowohl der institutseigene Code DYNROT als auch das Flugmechanik-Verfahren für Hubschrauber HOST von Eurocopter eingesetzt. DYNROT modelliert das Hubschrauberrotorblatt als Balken unter Verwendung des Timoshenko-Ansatzes auf Basis von Finiten Elementen. Die Kopplung zum Strömungslöser erfolgt zeitecht, das heißt, der Austausch der Verformungs- und Kraftrandbedingungen auf auf der gemeinsamen Schnittstelle , der Rotorblattoberfläche erfolgt vor bzw. nach jedem Zeitschritt der gekoppelten Berechnung. Strömungs- und Strukturcode sind dabei modular gekoppelt und arbeiten auf verschienenen Computern. Der Datenaustausch erfolgt mit Hilfe einer TCP/IP-Verbindung. Spezielle Koppelschemata gewährleisten die Aufrechterhaltung der zeitlichen Ordnung des aeroelastischen Gesamtverfahrens.

Zusätzlich zu dieser sogenannten starken Kopplung kann HOST auch in schwacher Kopplung zum Strömungslöser eingesetzt werden. Dabei erfolgt der Datenaustausch zwischen Strömung und Struktur sozusagen nur einmal pro Rotorumdrehung. Sowohl die Rotorblattdeformation als auch die aerodynamischen Lasten müssen in diesem Fall als Fourierreihe über dem Blattazimuth dargestellt werden, so dass nur periodische Flugfälle (kein Manöverflug) behandelt werden können. Die schwache Kopplung bietet allerdings den Vorteil, dass sie eine schnellere Trimmung des Rotors, das heißt das Anpassen der Rotorlasten (z.B. des Rotorschubs) an eine Vorgabe durch Variation der Steuerwinkel, erlaubt.

Projekte

Das Institut ist derzeit an drei Forschungsvorhaben auf dem Gebiet der Hubschrauber-Aeromechanik beteiligt:

Projekte LARS (Lagerloses Aktives RotorSystem) und FRIENDCOPTER

Das Projekt LARS beschäftigt sich mit der Berechnung und Auslegung eines aktiven Rotors, das heißt eines Rotors, der neben der primären Steuerung über die Verstellung des Pitchs über Hinterkantenklappen an den Rotorblättern verfügt. Dies erlaubt zusätzlich zur auf 1/rev (d.h. eine Sinusschwingung pro Umdrehung) beschränkten Einsteuerung über die Taumelscheibe eine höherharmonische Einsteuerung. Durch eine derartige höherharmonische Einsteuerung lässt sich die Charakteristik des Rotors hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Lärmabstrahlung und Vibrationsniveau in der Kabine verbessern. Im Projekt LARS wird dazu eine diskrete Klappe verwendet, wohingegen in FRIENDCOPTER eine kontinuierliche Deformation der Blatthinterkante eingesetzt wird.

Projekt CHANCE (Complete Helicopter AdvaNced Computational Environment)

Im Rahmen des deutsch-französischen Forschungsverbundes CHANCE beschäftigt sich die Hubschrauber- und Aeroakustikgruppe derzeit mit der Verbesserung des Blattspitzenwirbelerhalts in der aerodynamischen Simulation des Hubschrauber-Hauptrotors. Bei der Berechnung der Hauptrotorumströmung mit einem CFD-Verfahren besteht das Problem, dass die Blattspitzenwirbel der Rotorblätter in der Rechnung nicht lange genug erhalten werden können, weil sie numerischer Dissipation ausgesetzt sind. Das bedeutet, die Wirbel werden in der Rechnung stärker gedämpft als in der Realität, wodurch die Vorhersage von Blatt-Wirbel-Interaktionen verhindert wird. Deren korrekte Erfassung ist aber ausschlaggebend für die Berechnung der Lärmabstrahlung.
Die derzeit am Institut eingesetzte Methode verwendet wirbelangepasste Gitter auf Chimera-Basis, die zusätzlich zu Blatt- und Hintergrundnetz eingebracht und der Blattspitzenwirbelbahn angepasst werden. Auf diese Weise lässt sich speziell in den Bereichen der Strömung, wo dies erforderlich ist, eine höhere Netzdichte erzielen und damit eine Verringerung der numerischen Dissipation.

λ2-Strömungsvisualisierung	Verteilung der BVI-Luftlasten auf der Rotorkreisscheibe

Projekt GOAHEAD (Generation Of Advanced Helicopter Experimental Aerodynamic Database for CFD code validation)

Im Rahmen dieses EU-Projekts wird sich die Hubschrauber- und Aeroakustikgruppe mit der Simulation einer Hubschrauber-Komplettkonfiguration beschäftigen. Das heißt, neben dem Hauptrotor werden auch Rumpf und Heckrotor berücksichtigt. Die Simulation des Hauptrotors erfolgt dabei unter Verwendung von Strömungs-Struktur-Kopplung.

λ2-Strömungsvisualisierung	Druckverteilung auf der Oberfläche

Projekt SHANEL

Das deutsch-französische Forschungsvorhaben SHANEL stellt die Fortsetzung des Forschungsverbundes CHANCE dar. Ziel der IAG-Beteiligung ist die Erweiterung der Schnittstelle zur Strömungs-Struktur-Kopplung mit dem Ziel der getrimmten Simulation des Kompletthubschraubers.

Boris Buchtala, Dieter Wehr, and Siegfried Wagner: Coupling of aerodynamic and dynamic methods for the calculation of helicopter rotors in forward flight. 23rd European Rotorcraft Forum, Dresden, Germany, pages 5.1--5.12, 1997.