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Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

Forschungsprojekte

Die Arbeitsgruppe Hubschrauber und Aeroakustik beschäftigt sich vorwiegend mit der Simulation des Systems Hubschrauber. Das Ziel ist die möglichst wirklichkeitsgetreue Wiedergabe am Computer, insbesondere was die Effekte am Hauptrotor angeht.

 Racer (AH - Artist`s impression) (c) Airbus Helicopters
Racer (AH - Artist`s impression)

CA³TCH

Im Rahmen der EU Joint Technology Initiative (JTI) CleanSky2 hat die Arbeitsgruppe das Großprojekt CA³TCH (Coupled Aerodynamic-Aeroacoustic Analysis of a Trimmed Compound Helicopter) eingeworben. Drei Doktoranden arbeiten dabei seit 2016 über die vier Jahre Projektlaufzeit an der Simulation eines Compound-Hubschraubers, der unter dem Namen LifeRCraft von Airbus Helicopters im Rahmen von CleanSky2 entwickelt wird. Die Konfiguration mit kleinen Flügeln und Propellern zur Vortriebsunterstützung anstelle eines konventionellen Heckrotors soll bis zu 400 km/h erreichen können. Auf der Paris Air Show in Le Bourget wurde die Konfiguration am 20.6.17 der Öffentlichkeit präsentiert und gleichzeitig der Projektname Racer (Rapid And Cost-Effective Rotorcraft) vorgestellt.

Das IAG ist beteiligt mit der aerodynamischen und aeroakustischen Simulation des Gesamtsystems. Im Fokus stehen dabei zunächst ausführliche Untersuchungen zur flugmechanischen Stabilität und zu aerodynamischen Interferenzen von Rotor und Flügel. Zahlreiche Flugzustände werden dabei betrachtet, wozu wegen der großen Einsatzbandbreite auch Quer- und Rückwärtsflüge gehören. Weitere Analysen werden dann den möglichst effizienten Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten betreffen sowie die akustische Bewertung.

Die hochgenaue CFD-Simulation der kompletten Konfiguration mit allen Komponenten, unter Berücksichtigung der Strömungs-Struktur-Kopplung an den elastischen Rotorblättern, flugmechanisch getrimmt im lastenfreien stationären Flug, ermöglicht belastbare und im Entwicklungsprozess daher sehr wertvolle Aussagen über das zu erwartende Verhalten, lange bevor tatsächlich Hardware gefertigt wird. Hierdurch lassen sich bereits in einem frühen Stadium kritische Punkte identifizieren und damit das Risiko vor dem Erstflug erheblich reduzieren. Das schlägt sich letztlich in einer kürzeren Entwicklungszeit und damit natürlich auch reduzierten Kosten nieder.

 

 

CHARME

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Die Interaktion des Rotornachlaufs mit dem Heckausleger kann in bestimmten Flugzuständen zu unerwünschten Schwingungen des gesamten Rumpfes führen, die im Cockpit als sehr unangenehme seitliche Vibrationen wahrgenommen werden. Dieses als Tail Shake bekannte Phänomen tritt bei zahlreichen Modellen in der Erprobungsphase auf und muss durch aufwändige Änderungsmaßnahmen nachträglich korrigiert werden. Diese fallen je nach Muster unterschiedlich aus und können nur durch Probieren im Flugversuch herausgefunden werden. Da dies sehr teuer und zeitaufwändig ist, wäre eine Möglichkeit zur Simulation in einem früheren Entwicklungsstadium sehr wertvoll.

Die einzigartige Simulationstechnologie des IAG ermöglicht hier eine höchst genaue Wiedergabe der aerodynamischen Nachlaufphänomene, welche sodann mit einer strukturdynamischen Simulation des Airframe gekoppelt wird. Die von der Aerodynamik hervorgerufenen Lasten führen dabei entsprechend der Masse- und Steifigkeitsverteilung am Rumpf zu Deformationen, welche über die Gitterverformung wieder der Aerodynamik aufgeprägt werden. Gegenüber einer einseitigen Kopplung - nur Aufprägung der aus einer mit starrem Rumpf gerechneten Aerodynamik erhaltenen Lasten - hat sich hierbei eine um Faktoren größere Amplitude gezeigt, so dass die Rückwirkung keinesfalls vernachlässigt werden darf. Im Vergleich zu im Flugversuch gemessenen Beschleunigungen und Druckschwankungen an charkteristischen Punkten zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung, so dass zu erwarten ist, dass die Methodik tatsächlich die belastbare Vorhersage von Tail Shake ermöglicht.

Im Vorwärtsflug treten am rücklaufenden Blatt hohe effektive Anstellwinkel auf, wodurch unter Umständen die Strömungs ablösen kann. Wegen der großen Geschwindigkeit der Anstellwinkeländerung über den Umlauf ist die Ablösung verzögert, deshalb aber um so stärker, wenn sie dann geschieht. Einher geht dies nicht nur mit einem lokalen Einbruch des erzeugten Schubs, sondern auch mit starken Nickmomenten, die von den Steuerstangen aufgefangen werden müssen und auf die Taumelscheibe abgelastet. Insbesondere bei Lastvielfachen, wie sie im schnellen Kurvenflug auftreten, sind diese Steuerstangenlasten bestimmend für die Auslegung, aber wegen der komplexen aerodynamischen Phänomene, die für ihre Entstehung verantwortlich sind, sehr schwer quantitativ vorherzusagen. Mit hochgenauen CFD-Simulationen und fortgeschrittenen DES-Verfahren soll im Rahmen von CHARME diese Vorhersage verbessert und die Belastbarkeit der Ergebnisse zu höheren Lastvielfachen ausgedehnt werden.

Eine besondere Herausforderung stellt in diesem Flugzustand die Trimmung dar, mit der die Steuerwinkel des Rotors und im Falle einer Simulation der Gesamtkonfiguration auch die Lagewinkel des Hubschraubers so eingestellt werden, dass für den gewählten Flugpfad ein kräfte- und momentenfreier Zustand erreicht wird, wie dies für einen stationären Flug notwendig ist. Zu den Grenzen der Flugenvelope wird dies zunehmend schwieriger, was teilweise auch physikalisch bedingt ist, da der Hubschrauber hier gar keinen echt stationären Flugzustand erreicht und der Pilot ständig nachsteuern, wie aus gemessenen Flugversuchsdaten leicht zu erkennen ist.

Der erzeugte Lärm ist bei Hubschraubern immer unerfreulich hoch und von zunehmender Bedeutung bei der Entwicklung künftiger Upgrades oder gar neuer Modelle. Von den drei Zertifizierungspunkten konnten in früheren Projekten der Arbeitsgruppe für den Landeanflug ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, weil dort der deterministische Anteil, der direkt aus der Simulation bestimmt werden kann, dominierend ist. Dabei konnte auch gezeigt werden, wie wichtig die Berücksichtigung von Abschattung und Reflexion des Schalls durch die Zelle für die Übereinstimmung mit Messdaten ist. Ziel von CHARME ist es, diesen Erfolg auf die beiden anderen Zertifizierungspunkte Start und Überflug auszudehnen und dabei auch noch den Simulationsaufwand zu reduzieren.

Zum einen sollen dabei Breitbandanteile des Lärms, wie sie beispielsweise aus der turbulenten Umströmung der Blatthinterkanten entstehen, die aber in der Simulation nicht im Detail abgebildet werden kann, mit vereinfachten Methoden modelliert werden. Generische Spektren werden entsprechend der maßgeblichen Parameter skaliert und mit dem tatsächlich berechneten deterministischen Lärm überlagert. Zum anderen werden die Rumpfeinflüsse nicht durch eine hochgenaue CFD-Simulation berücksichtigt, sondern mit Hilfe von Randelementeverfahren (BEM) abgebildet, die erheblich weniger rechenaufwändig sind.

Abgeschlossene Perojekte der Arbeitsgruppe Hubschrauber und Aeroakustik

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Das IAG ist Unterauftragnehmer im LuFo Projekt MUSIHC (Multidisciplinary Simulation of Helicopters).
Ziel dieses Projekt ist es gemeinsam mit dem Industriepartner Eurocopter und dem DLR die erfolgreiche Forschung auf dem Gebiet der Simulation der Kopplung von Stukturmechanik und Aerodynamik weiter zu entwickeln. Es sollen in einer automatisierten Umgebung die verwendeten Codes eingebettet werden. Die Simulationsprozesse werden dahingehen verbessert, dass die Vorhersage von Lasten und Lärmabstrahlung an Haupt- und Heckrotoren deutlich zuverlässiger und schneller erfolgen kann. Ziel ist, mit fortschrittlichen Berechnungsmethoden teure und aufwendige Windkanal Untersuchungen zu ersetzen.
Das IAG ist in diesem Projekt mit der Einbindung des FLOWer codes in die automatisierte Umgebung des FlowSimulator beauftragt.
Weitere Informationen zum Luftfahrtforschungsprogramm (LuFo) finden Sie beim Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie unter der Rubrik Luftfahrtforschung.

Das Projekt SHANEL (Simulation of Helicopter Aerodynamics, Noise and Elasticity) ist ein Technologie-Vorhaben zur gekoppelten Simulation von Hubschrauber Aerodynamik, Aeroelastik und Aeroakustik. SHANEL ist Teil des Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo) des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. Ziel des Vorhabens ist es, einen hohen qualitativen Standard der in der Hubschrauberentwicklung eingesetzten aerodynamischen Berechnungsverfahren zu erreichen. Durch die Fähigkeit zur genaueren Vorhersage und Analyse der aeromechanischen Probleme am Hubschrauber soll ein Teil der Windkanal- und Flugexperimente eingespart werden, so dass die Kosten und Dauer der Entwicklung reduziert werden. Das Vorhaben teilt sich in fünf Arbeitsgebiete auf: Die Untersuchung des Strömungsabriss am Rotorblatt, die Anwendung und Validierung von CFD-Verfahren, die Optimierung von Haupt- und Heckrotoren, die Simulation eines kompletten Hubschraubers im ausgetrimmten Flugzustand, und die Rotorlärmvorhersage.
Am IAG werden Untersuchungen zu den Themen Strömungsabriss am Rotorblatt und Simulation des kompletten Hubschraubers durchgeführt. Im Fall der Komplett-Hubschraubersimulation steht insbesondere die sogenannte Trimmung auf realistische Flugbedingungen im Vordergrund. Sie ermöglicht, zusätzlich zur Simulation der aero-elastisch bedingten Schwingungen der Rotorblätter, eine Berücksichtigung der Fluglage und Steuerung des Hubschraubers. Dieses Verfahren lässt bessere Vorhersagen über die Leistung und strukturelle Belastung zukünftiger Hubschrauberentwürfe zu.
Weitere Informationen zum Luftfahrtforschungsprogramm (LuFo) finden Sie beim Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie unter der Rubrik Luftfahrtforschung.

Das Projekte VAR (Voll Aktiver Rotor) stammt aus dem 2. Call des 4. Luftfahrtforschungsprogrammes des Bundeswirtschaftsministeriums. In Zusammenarbeit mit Eurocopter Deutschland wird hierbei die Verbesserung von Leistungsbedarf und Lärmemission von aktiven Rotoren durch unterschiedliche Steuergesetze kleiner Momentenklappen an der äußeren Blatthinterkante untersucht. Eine weitere Möglichkeit, zusätzliche Freiheitsgrade zur Optimierung zu gewinnen, ohne die Primärsteuerung dabei einzubüßen, besteht in einer zweiten Taumelscheibe oder auch durch aktive Verwindung mit Hilfe von Piezokeramiken.
Die Simulationen werden in bewährter Weise gekoppelt mit der FLOWer/HOST-Toolkette durchgeführt und umfangreiche Parameterstudien zu Klappenphase und -winkel angestellt. Wichtig ist hier einerseits die strukturdynamische Reaktion des vergleichsweise weichen Rotorblattes, die dazu führt, dass die Klappe eher über den Momenteneintrag das gesamte Blatt tordiert als wie eine Wölbklappe direkt lokal den Auftrieb zu beeinflussen. Andererseit sind je nach Klappenansteuerung auch die "normalen" Steuerwinkel anzupassen, um wiederum gegebene Kräfte und Momente für den gesamten Rotor zu erzeugen und so die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Konfigurationen zu gewährleisten. Ansonsten könnte ein Rotor deutliche Leistungsvorteile bieten, allerdings deutlich weniger Schub erzeugen. Trimmt man dann auf den gleichen Schub, so sieht die Leistungsbilanz gerade andersherum aus - nur als Beispiel.

Am Projekt FTEG-ECO-HC ist das IAG bei der Entwicklung einer automatischen Optimierungskette für den Rotor im Schwebe- und Vorwärtsflug beteiligt. Der bisher erreichte Stand der Simulationstechnik soll konkret auf das Problem der Leistungsoptimierung eines Hauptrotors angewandt werden.Der Leistungsbedarf wird mit Rechnungen am isolierten Rotor ermittelt. Speziell für den Vorwärtsflug sind für eine adäquate Beurteilung des Leistungsbedarfs gekoppelte und getrimmte CFD Rechnungen nötig. Ein weiteres Bewertungskriterium der Blattentwürfe sind die aeroakustischen Eigenschaften in einem 6° Sinkflug.

Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts "Untersuchungen zur Rotornachlauf-Rumpf-Interaktion mit einem hybriden Strömungslöser" werden instationäre Strömungsfelder am Hubschrauber, die durch Interaktionen mit der flexiblen Rumpfstruktur hervorgerufen und zu unerwünschten aeroelastischen und flugmechanischen Effekten führen können. Inbesondere das sogenannte Tail Shake Phänomen wird hierbei noch immer vielfach in frühen Flugversuchen beobachtet und kann bisher nur durch aufwendige Modifikationen am Prototypen eingedämmt werden. Hubschrauber vom Typ Eurocopter NH90 oder EC135 sind zwei Beispiele, bei denen während erster Flugtests solcherlei Probleme auftraten. Vom Standpunkt der Grundlagenforschung her gesehen sind die genauen Entstehungsmechanismen von Tail Shake heute noch weitgehend unverstanden und sollen in vorliegendem Projekt näher beleuchtet werden. Als Ursache gilt die Interaktion des turbulenten Nachlaufs des Hauptrotors mit dem Heckparts der Rumpfstruktur. Welche Bauteile im Genauen diese Interaktion maßgeblich beeinflussen und welche Schlüsse in Richtung geeigneter Abhilfemaßnahmen daraus gezogen werden können, soll ebenfalls in diesem Projekt untersucht werden. Als Strömungslöser kommt hierbei der strukturierte Finite-Volumen Code FLOWer, welcher in den letzten Jahren sukzessive für die Berechnung von Fluid-Struktur gekoppelten Rechnung von Hubschrauberrotoren und -gesamtkonfigurationen ausgebaut wurde, zum Einsatz. Zur Verbesserung des Wirbelerhalts auf dem Weg vom Hauptrotor zur Heckfinne kommt hierbei ein Verfahren höherer Ordnung zum Einsatz, um die numerisch eingebrachte Dissipation der Wirbelstrukturen deutlich herabzusetzen. Zu Vergleichszwecken stehen aus dem EU Projekt GOAHEAD umfangreiche experimentelle Daten zur Verfügung.

In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt wird an einem Computerprogramm für die Berechnung von instationären Strömungen mit hoher Genauigkeit gearbeitet. Die Diskretisierung der Navier-Stokes Gleichungen geschieht deshalb mit einem Discontinuous Galerkin Ansatz, welcher auch auf unstrukturierten Netzen eine hohe Ordnung gestattet. Zusätzlich benötigt man für die Berechnung von industriell relevante Anwendungen noch ein Turbulenzmodell. Dabei wird auf verschiedene Detached Eddy Simulationsmodelle (DES) zurückgegriffen. DES Modelle unterteilen die Strömung in zwei Bereiche, einmal in einen wandnahen Bereich, in welchem die Strömung durch ein klassisches RANS Modell berechnet wird und in einen wandfernen Bereich, in welchem ein LES Modell zum Einsatz kommt. Des weiteren soll im Projekt verschiedene Ansätze für die Zeitdiskretisierung untersucht werden. Insbesondere bei impliziter Zeitdiskretisierung muss dabei ein nichtlineares Gleichungssystem gelöst werden, welches z.B. durch ein Newton Verfahren gelöst werden kann. Die dabei entstehenden linearen Gleichungssysteme werden durch verschiedenene sog. Krylov Unterraum Verfahren wie GMRES oder BICGSTAB gelöst, wobei vor allem auf eine effektive Vorkonditionierung, welche auch gut parallelisierbar ist, geachtet werden muss.

Das Projekt MORALI (Multi-Objective Robust Assessment of heLicopter Improvements) verfolgt drei unterschiedliche Zielrichtungen zur Verbesserung der Entwicklungsmöglichkeiten für neue Rotoren:

  • Blattelementetheorie mit Dynamic Stall Modellen und Wirbelleiterverfahren
  • Gekoppelte CFD/CSD-Simulationen mit Transitionsvorhersage und automatisierter Trimmung
  • Automatisierte Optimierung von Geometrieparametern unter Einbeziehung von Surrogates

Schließlich ist es vorgesehen, die entwickelten Methoden auch einzusetzen, um einen Rotor für spezifische Anforderungen auszulegen.
Die Arbeiten - insbesondere zur Optimierung - finden in enger Zusammenarbeit mit der bulgarischen Firma MACROS Solutions Ltd. statt, Industripartner und Impulsgeber als Verantwortlicher für den Call for Proposals im Rahmen des JTI CleanSky (Green Rotorcraft) ist Eurocopter Deutschland.

Blattelementetheorie

In frühen Entwicklungsphasen sind schnelle, einigermaßen belastbare Ergebnisse für verschiedene Entwurfsideen erforderlich, ohne Anspruch an allerhöchste Genauigkeiten. Allerdings sollten wesentliche Abhängigkeiten von typischen Parametern physikalisch korrekt abgebildet werden. Hierzu eignen sich Blattelementeverfahren, die den Rotor spannweitig in Blattschnitte aufteilen und jeweils einzeln Kräfte und Momente aus statischen Polaren bestimmen sowie die Rückwirkung über die Nachlaufentwicklung auf den Rotor.
Der erste Arbeitspunkte hier besteht deshalb aus der Berücksichtigung dynamischer Effekte, vor allem am rücklaufenden Blatt, wo kurzzeitig hohe Anstellwinkel auftreten. Existierende empirische Modelle sollen hier genutzt werden und ihren Einstellparameter an den Anwendungsbereich Rotor angepasst werden.
Darüber hinaus besteht der Wunsch nach einer detaillierten Abbildung des Rotornachlaufes - insbesondere der Randwirbel - über schnelle Potenzialverfahren, die einen numerisch verlustfreien Wirbeltransport gewährleisten. Betrachtungen zur Blatt-Wirbel-Interaktion unter Berücksichtigung der elastischen Verformung können hier einigermaßen zügig angestellt werden, und damit werden auch akustische Aussagen möglich.

CFD/CSD-Simulation

Die Königsdisziplin der Rotorsimulation besteht aus der Kopplung von Strömungsmechanik und Strukturdynamik, verbunden mit der Trimmung von Steuerwinkeln auf vorgegebene Kräfte und Momente. Damit können sehr detaillierte Untersuchungen angestellt und hochgradig lokale (sowohl räumlich wie auch zeitlich) Phänomene betrachtet werden, der dafür zu treibende numerische Aufwand ist allerdings auch enorm.
Die Genauigkeit gilt es hier zu verbessern durch Berücksichtigung des laminar-turbulenten Umschlages am Rotorblatt. Bislang wird im wesentlich noch voll turbulent gerechnet, was zu einer systematischen Überschätzung des Leistungsbedarfs führt. Bewährte Umschlagsmodelle für 2D-Profilströmungen sind aber nur bedingt übertragbar auf den sehr instationären und dreidimensonalen Fall des Rotorblattes.
Darüber hinaus besteht Bedarf an einer Beschleunigung und Zuverlässigkeit der Trimmkonvergenz. Häufig ist unklar, nach wie vielen Rotorumdrehungen ein hinreichend periodischer Zustand erreicht ist, um den nächsten Trimmschritt zuverlässig in die richtige Richtung zu führen - so früh wie möglich, um schnelle Konvergenz zu bekommen, aber gleichzeitig so spät wie nötig, um Oszillationen zu vermeiden. Anstelle händischer Betrachtungen des Kraft- und Momentenverlaufes sollen hier systematische Kriterien entwickelt werden zur automatischen Erkennung eines geeigneten Zeitpunktes.

Optimierung

Die automatisierte Optimierung wird im wesentlichen vom Verbundpartner MACROS Solutions Ltd. getragen, die hierzu den von ihnen entwickelten Optimierer MACROS einsetzen. Da eine einzelne Funktionsauswertung in Form einer vollständigen CFD/CSD-Simulation enorm aufwändig ist, wird versucht, mit Hilfe von schnell auswertbaren Surrogate-Modellen die wesentlichen Abhängigkeiten von Geometrieparametern abzubilden. Ein wichtiger Bestandteil dabei ist die Definition der Gütefunktion, die es zu optimieren gilt, und die nicht nur globale Kennzahlen wie den Leistungsbedarf enthalten sollte, sondern auch das nach der Simulation ja ohnehin vorhandene Strömungsfeld ähnlich eines erfahrenen Ingenieurs nach bekannten Eigenschaften für günstige oder weniger günstige Entwürfe untersucht. Beispielsweise wären hier zu nennen die Gleichförmigkeit der Schubverteilung über der Kreisscheibe, die Abwesenheit lokaler Lastspitzen, aber unter Umständen auch die Lärmentwicklung unter spezifischen Flugbedingungen.

Das Projekt IDIHOM (Industrialisation of High-Order Methods - A Top-Down Approach) versucht als Nachfolger von ADIGMA die noch recht grundlagenorientierten Aktivitäten im Bereich der Verfahren hoher Ordnung auf europäischer Ebene zu bündeln und die daraus entstandenen Werkzeuge industriell einsatzfähig zu machen. Das IAG ist dabei mit zwei Arbeitsgruppen beteiligt (Hubschrauber und Numerische Verfahren von Prof. Munz), wovon bei uns die Erweiterung unseres DG-Lösers SUNWinT auf die bewegten Gitter im Falle von Hubschrauberrotoren im Vordergrund steht.
Die notwendigen Zusatzterme für Scheinkräfte (Coriolis, Zentrifugal) und bewegungsbedingte Zusatzflüsse werden dazu eingebaut, darüber hinaus natürlich die Berücksichtigung der instationären Geometrie einschließlich der Randbedingungen. In einem zweiten Schritt ist geplant, Gitterverformungen aufgrund der elastischen Blattdeformation zu erlauben und dann auch die Kopplung an einen Strukturmechanik-Code herzustellen - ähnlich wie schon im Finite Volumen Fall mit FLOWer etabliert.
Dazu sind auch noch substanzielle Performance-Verbesserungen notwendig, etwa bei der Parallelisierung, aber auch in der Zeitintegration und FLussauswertung. Hier besteht eine enge Verzahnung mit dem DFG-Projekt HeliDG, so dass Fortschritte bei beiden Projekten jeweils auch das andere befördern. Ziel ist, in einigen Jahren die etablierte FLOWer-HOST Kette funktional (Kopplung, Trimmung) zu erreichen und etwas später auch in der Leistungsfähigkeit zu übertreffen - insbesondere auf dann aktuellen Rechnerarchitekturen.

Dr. Manuel Kessler

Dieses Bild zeigt Keßler
Dr. rer. nat.

Manuel Keßler

Akademischer Oberrat / Leiter Hubschrauber und Aeroakustik