Geschichte:
| Das Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart blickt auf eine lange Tradition zurück: Es wurde 1946 von Prof. Arthur Weise als "Institut für Gasströmungen" gegründet, 1960 erfolgte die Umbenennung in "Institut für Aerodynamik und Gasdynamik". Prof. Weise befasste sich insbesondere mit der Konzeption und Entwicklung eines Kurzzeitüberschallwindkanals, der in den sechziger Jahren als Großanlage realisiert wurde, sowie mit optischen Methoden zur Messwerterfassung. |
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Prof. Franz Xaver Wortmann übernahm 1974 die Institutsleitung. Er untersuchte vor allem Fragen der Turbulenzentstehung und −beeinflussung und wurde international durch die aerodynamische Auslegung von Profilen für Segelflugzeuge und Drehflügler bekannt. Er initiierte den Bau des Laminarwasser- und des Laminarwindkanals sowie des Böenwindkanals, den er zum Testen von Windturbinen einsetzte.
Im Jahr 1976 wurde Dr. K. Förster zum Professor ernannt. Sein Arbeitsgebiet war die instationäre Gasdynamik. Er war der erste am Institut, der sich konsequent mit der Anwendung numerischer Methoden unter Einsatz von Computern befasste. |
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| Von 1991 bis 2004 leitete Prof. Siegfried Wagner das Institut. Kurz vor seinem Amtsantritt war zudem eine Gruppe von Wissenschaftlern ans IAG gekommen, die sich mit der direkten numerischen Simulation (DNS) des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags beschäftigt. Prof. Wagner ergänzte die vorhandenen Arbeitsgebiete des IAG um weitere Schwerpunkte, wie die numerische Aerodynamik, die Aeroakustik und die Aeroelastik, und baute die EDV- und Messtechnikkapazität des IAG weiter aus. |
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| Am 1.1.1997 wurde Prof. Claus-Dieter Munz berufen, der sich hauptsächlich mit der Konstruktion numerischer Methoden befasst. |
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| Seit dem 1.10.2004 leitet Prof. Ewald Krämer das Institut. Prof. Krämer war zuvor 15 Jahre in der Industrie tätig, davon zuletzt als Leiter der Hauptabteilung Flugphysik bei EADS-Militärflugzeuge in Ottobrunn bei München. |
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Mitarbeiter:
Das Institut hat derzeit einen Personalstand von 34 überwiegend drittmittelfinanzierten wissenschaftlichen
Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern,
sowie weiteren 20 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, die die technischen Anlagen betreuen, im Sekretariat, in der Bibliothek,
im Fotolabor oder in den Werkstätten des IAG tätig sind oder allgemeine Verwaltungsangelegenheiten erledigen.
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Arbeits- und Forschungsgebiete:
Am Institut werden im Rahmen von grundlagen- und anwendungsorientierten Drittmittelprojekten sowie Kooperationsprojekten und Auftragsuntersuchungen für Industrieunternehmen aus der Luftfahrt, der Windenergietechnik, der Fahrzeug- und Zulieferindustrie sowie aus dem Gebäudebereich umfangreiche theoretische, numerische und experimentelle Arbeiten durchgeführt (Arbeitsgebiete, Forschungsschwerpunkte).
Hierbei sind im Wesentlichen zu nennen:
- Grundlagenorientierte Untersuchungen des Strömungsverhaltens in wandnahen Grenzschichten und in freien Scherschichten (Ablösung, Transition, Turbulenz), sowie zu Möglichkeiten der aktiven und passiven Strömungsbeeinflussung,
- Analyse, Entwurf und Optimierung von aerodynamisch relevanten Komponenten von Luftfahrzeugen und Windturbinen, auch unter Berücksichtigung von Strukturdeformationen infolge der aerodynamischen Lasten,
- Experimentelle Verifikation der Leistung moderner Laminarprofile und Hochauftriebssysteme einschließlich der Entwicklung neuer Messverfahren,
- experimentelle Bestimmung von Windlastenauf Gebäude, Brücken, feste und flexible Strukturen, wie z.B. stationäre und mobile Überdachungen, Markisen, etc., sowie Windkomfortuntersuchungen,
- Strömungen in industrierelevanten Anlagen und Bauteilen (Rohren, Düsen, Klimaanlagen, Kühlern, Gebläsen etc.),
- Untersuchung von Hochgeschwindigkeitsströmungen bis zu einem Vielfachen der Schallgeschwindigkeit (als Gasdynamik bezeichnet),
- Simulation der Strömungsvorgänge an Drehflüglern (Hubschraubern, Windturbinen, etc.) unter Berücksichtigung aeroelastischer Verformungen,
- Aeroakustik, d.h. Untersuchung der Entstehung und Ausbreitung von strömungsinduziertem Lärm sowie Entwicklung von Maßnahmen zur Lärmreduzierung,
- Entwicklung und Anwendung von numerischen Methoden hoher Genauigkeitsordnung zur Simulation von Strömungsvorgängen und akustischer Wellenausbreitung, sowie für Strömungen mit elektromagnetischer Wechselwirkung.
Die Arbeiten auf den oben genannten Gebieten sind in der Regel sowohl experimentell als auch theoretisch/numerisch ausgerichtet. In dieser Kombination von Theorie und Praxis mit der Möglichkeit, die jeweils gefundenen Ergebnisse gegenseitig zu validieren und zu stützen, liegt eine der Stärken des IAG.
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Lehre:
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Das IAG vertritt das Gebiet der Strömungslehre innerhalb des Studienganges Luft- und Raumfahrttechnik. Die Strömungslehre ist ein Teilgebiet der Mechanik und lehrt die Gesetze zur Beschreibung der Bewegungen und des Kräftegleichgewichts von ruhenden und bewegten Fluiden (Flüssigkeiten, Luft und anderen Gasen, Dämpfen). Die zugrunde liegenden mathematischen Gleichungen sind partielle Differentialgleichungen und beschreiben die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie. Aufgrund der Nichtlinearitäten des Gleichungssystems werden geeignete numerische Verfahren zu ihrer Lösung benötigt. Neben der grundlegenden Strömungsphysik werden Kenntnisse zur experimentellen Strömungsversuchs- und Messtechnik sowie zur Entwicklung und Anwendung numerischer Verfahren vermittelt. Die ersten Vorlesungen (Grundlagen der Strömungslehre und Numerische Methoden) finden bereits vor dem Vordiplom statt. Im Hauptstudium sind die Fächer Strömungslehre I und II und Numerische Simulation zentraler Bestandteil der Lehrangebotes und obligatorisch für alle Studentinnen und Studenten des Studienganges. Im 7. und 8. Semester bietet das IAG eine eigene Vertiefungsrichtung Strömungslehre an, in der aus einer breiten Palette von Lehrveranstaltungen, wie z.B. Flugzeug- und Flugkörperaerodynamik, Grenzschichttheorie, Hyperschallströmung, Aeroakustik, Strömungsversuchs- und Messtechnik, Strömungssichtbarmachung, Umweltaerodynamik, Industrielle Aerodynamik, Gasdynamik, Hubschrauberaeromechanik, Profilauslegung, Aerodynamische Auslegungsaspekte bei Profilen und Tragflügeln, Numerische Methoden, Anwendung der Strömungsversuchstechnik, etc. ausgewählt werden kann. Die Vorlesungen werden jeweils ergänzt durch vertiefende Übungen, Tutorien, Praktika und Seminare.
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Experimentelle Ausstattung:
Auf der experimentellen Seite ist das IAG mit einer Reihe von Wind- und Wasserkanälen ausgestattet, die neben der Ausbildung unserer Studenten in Form von Praktika, Studien- und Diplomarbeiten der Grundlagen- und der angewandten Forschung dienen. Darüber hinaus stehen einige von ihnen auch kontinuierlich im Einsatz für industrielle Auftragsarbeiten. Unternehmen aus der Luftfahrt-, der Windenergie-, der Kfz- und der jeweiligen Zulieferindustrie, aber auch viele mittelständische Unternehmen, die mit strömungsmechanischen Fragestellungen konfrontiert sind, lassen Messungen in den Kanälen des IAG durchführen.
Zu nennen sind hierbei vor allem
- der Laminarwindkanal, der bei einem Messquerschnitt von 0,73 x 2,7 m² und einer max. Geschwindigkeit von 90 m/s (≈ 320 km/h) über einen extrem geringen Turbulenzgrad verfügt,
- der Böenwindkanal, dessen Messstrecke einen Durchmesser von 6,3 m hat, in dem also auch sehr große Objekte in Originalgröße vermessen werden können,
- der Grenzschichtkanal, der unter Simulation der erdoberflächennahen Luftverwirbelungen die Messung der statischen und der dynamischen Windlasten auf Gebäude, Brücken, etc. erlaubt,
- der Große Stoßwindkanal, in dem Kurzzeitmessungen bis zum 4,5-fachen der Schallgeschwindigkeit in einer sehr großen Messstrecke von 0,8 x 1,2 m² möglich sind
- und nicht zuletzt die Wasserkanäle, die sehr geeignet sind, Strömungsvorgänge zu visualisieren, und die den Vorteil bieten, dass aufgrund der besonderen Eigenschaften des Strömungsmediums Wasser dynamische Vorgänge sehr viel langsamer als in Luft ablaufen.
Darüber hinaus verfügt das IAG über etliche einfache Versuchs- und mobile Messanlagen, die bedarfsgerecht zusammengestellt werden können und schnelle Aussagen für bestimmte Problemstellungen liefern.
Die vorhandene Messtechnik deckt das gesamte Spektrum der erforderlichen konventionellen und berührungslosen Sensorik sowohl für stationäre als auch für dynamische Messungen ab.
Zur Sicherstellung des Anlagenbetriebs und zur Fertigung von Modellen, Sondensystemen, Adaptern und weiterem Zubehör betreibt das IAG eine eigene mechanische Werkstatt, die u.a. mit modernsten CNC-Fräsmaschinen ausgestattet ist, sowie eine Modellbauwerkstatt.
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EDV-Ausstattung und numerische Verfahren:
Für die Durchführung der numerischen Arbeiten steht dem Institut eine moderne EDV-Ausstattung zur Verfügung, bestehend aus Mitarbeiterworkstations auf PC-Linux-Basis, diversen Servern, einem zentralen Graphik-Supercomputer und der notwendigen Peripherie. Für die eigentlichen Produktionsläufe mit hochwertigen numerischen Simulationsverfahren hat das IAG direkten Zugang zu den PC-Clustern und Höchstleistungsrechnern des Höchstleistungsrechenzentrums der Universität Stuttgart (HLRS).
Ein eigenes PC-Cluster mit 68 64-bit Opteron CPU's sowie eine 3-D Visualisierungsanlage befinden sich derzeit in der Beschaffungsphase.
Für die Prozesskette "Numerische Simulation und Optimierung" setzt das IAG im Wesentlichen folgende Verfahren ein:
- Zur Geometrieerstellung und −aufbereitung: CATIA-V5
- Zur Erzeugung strukturierter und unstrukturierter/hybrider Rechennetze: Gridgen (Pointwise), IGG (Numeca)
- Zur Auslegung aerodynamischer Profile: XFOIL mod, MSES, TNO-TPD (zur Berücksichtigung der Lärmabstrahlung)
- Zur Strömungssimulation:
- Panelverfahren: HISSS, UNPAC
- Euler / RANS (DES): FLOWer, Tau, In-house Codes, Zugriff auf diverse kommerzielle Codes (FLUENT, CFX, ...)
- DNS: In-house Codes
- Zur Strömungs-Struktur-Kopplung: NASTRAN, In-house Codes
- Zum Postprozessing: EAS3, TECPLOT, COVISE (VR)
- Zur Optimierung: iSight, Epogy (vorm. Pointer), CMA-ES
- In der Aeroakustik: Direkte numerische Verfahren (CAA) auf der Basis heterogener Ansätze, hybride Ansätze (Volumen- und/oder Oberflächenkopplung), wie z.B. Lighthill-Analogie mit Erweiterung nach Ffowcs-Williams und Hawkings, Störungsmethoden, etc.
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