Forschung und Projekte

Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

der Arbeitsgruppe Laminarwindkanal

Versuchsaufbau zum Projekt LTT-USTUTT
Versuchsaufbau zum Projekt LTT-USTUTT

Aktuelle Projekte

Airtransport: Reduction of Environmmental Impact
Airtransport: Reduction of Environmmental Impact

Mit dem großen Ziel des klimaneutralen Fliegens erforschen wir im neuen Sonderforschungsbereich Transregio SynTrac Potentiale und Synergien durch eine hochintegrierte Flugzeugentwicklung in zahlreichen Teilprojekten an TU Braunschweig, Universität Stuttgart, LUH Hannover sowie dem DLR Braunschweig. Wir nutzen Wechselwirkungen der Disziplinen Aerodynamik, Akustik, Flugphysik, Strukturmechanik und Thermodynamik durch eine multidisziplinäre, systemübergreifende Sicht auf den Entwicklungsprozess von Flugzeugen, um durch innovative Ansätze zukünftige hocheffiziente Flugzeuge zu entwickeln.

Klimaneutrale Mobilität, insbesondere der klimaneutrale Luftverkehr, ist erforderlich, um die Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Eine wesentliche Steigerung der Gesamteffizienz von Flugzeugen ist eine Voraussetzung für die Verwirklichung der Vision eines klimaneutralen Luftverkehrssystems. Die konsequente Weiterentwicklung von Flugzeug- und Antriebstechnologien wird einen wesentlichen Beitrag zu diesem Ziel leisten. Die Synergien, die mit einer stark erhöhten Integration der Antriebssysteme in zukünftige Verkehrsflugzeuge verbunden sind, tragen mit einem Potenzial von 10 bis 20 % zusätzlicher Energieeinsparung in ähnlichem Maße zu diesem Ziel bei. Die Arbeiten am Laminarwindkanal beziehen sich auf die Bearbeitung des Projekts B02:

Ausnutzung der aerodynamischen Wechselwirkung zwischen Propeller und Flugzeug durch integriertes Design

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 am Laminarwindkanal.

Neben der Untersuchung relaminarisierender Grenzschichtabschnitte im Propellernachlauf sollen die Auswirkungen des eingesetzten Propellers auf die aerodynamischen Kenngrößen eines Tragflügels unter Cruise-Bedingungen untersucht werden. Zusätzlich erfolgt eine energetische Gesamtbewertung des Systems anhand der Power Balance Method (PBM).

Weiterführende Informationen zu SynTrac finden sich unter: https://www.tu-braunschweig.de/syntrac

Das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst (MWK) des Landes Baden Württemberg fördert im Rahmen eines Beitrages zur Entwicklung und Nutzbarmachung nachhaltiger Energiequellen das Verbundprojekt autoKite:
Grundlagen des automatisierten Kiteflugs als Antrieb für die Airborne Wind Energy im maritimen Bereich.

In Zusammenarbeit von insgesamt fünf Hochschulinstituten werden am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik die aerodynamischen Eigenschaften luftgestützter Anlagen zur Energieerzeugung (Airborn Wind Energy Systems, AWE-System) experimentell untersucht und numerisch modelliert. Ziel ist es eine Methode zu entwickeln, welche die möglichst präzise Simulation hochverformbarer aerodynamischer Strukturen zulässt. Ein wesentlicher Teil für die Modellbildung ist dabei die Validierung durch repräsentative Messungen am Windkanal.

Ansporn hierzu liefert der stetig wachsende Bedarf an erneuerbaren und nachhaltigen Energiequellen. Durch die Möglichkeit Kites als AWE-Systeme in deutlich größeren Höhen als konventionelle Windkraftanlagen einzusetzen, lässt sich eine stark gesteigerte Windenergiedichte nutzbar machen – insbesondere in Bereichen außerhalb der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht.

Für den effizienten Einsatz und den Entwurf von Kite-AWE-Systemen ist es zunächst nötig die dominierenden aerodynamischen Einflussgrößen zu verstehen. Diese werden, identisch zu klassischen Strömungskörpern, maßgeblich von deren Geometrie beeinflusst. Im Gegensatz zu konventionellen aerodynamischen Körpern verfügen die untersuchten AWE-Systeme aber über eine flexible Membranoberfläche, deren Form stark durch die Strömung selbst beeinflusst wird.

Neben ihrer strukturellen Flexibilität stellt die Anisotropie und die schlechte Skalierbarkeit des Kite-Materials eine weitere Herausforderung bei der Untersuchung des AWE-Systems dar. Das Vermessen eines starren, maßstäblich verkleinerten Kite unter Einhaltung von Ähnlichkeitsgrößen, wie in der experimentellen Aerodynamik üblich, würde nur bedingt zu verwertbaren Ergebnissen führen.

Mit dem Böenwindkanal steht der Arbeitsgruppe Laminarwindkanal eine Versuchsanlage zur Verfügung, welche die Vermessung von Kites im Originalmaßstab erlaubt. Durch den gezielten Einsatz sich ergänzender Messtechnik soll an diesem der Einfluss wirkender aerodynamischer Kräfte auf die Struktur des AWE-Systems untersucht werden. Ziel ist es, 3D-Daten der verformten Gesamtstruktur und der zeitgleich gemessenen Strömungsgrößen zu erfassen.

Ventus 3 TS mit installierter Messanlage
Ventus 3 TS mit installierter Messanlage

Erst in der jüngeren Zeit hat sich gezeigt, dass der Turbulenzgrad beim Flug in thermisch aktiver Luftmasse signifikant über dem Turbulenzniveau moderner Laminarwindkanäle liegt. Während die Entwicklung sämtlicher aktueller Segelflugprofile auf Messungen in ebensolchen turbulenzarmen Windkanälen basiert werden die dazugehörigen Segelflugzeuge fast ausschließlich in der turbulenteren thermisch aktiven Luftmasse betrieben. Dieses offensichtliche Dilemma ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten.

Im Rahmen des LuFo – Projektes HPIA wird daher am IAG der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit Schempp-Hirth Flugzeugbau eine autarke Flugmessanlage entwickelt. Mit dieser können erstmals simultan Transitionslage, Profilwiderstand, Gleitwinkel sowie der Turbulenzgrad der Anströmung gemessen werden. Damit ist es möglich ein Gesamtbild der Flugleistung auf verschiedenen Ebenen in Abhängigkeit des Turbulenzgrades im Freiflug zu erfassen.

Dieses Gesamtbild der Flugleistung bei turbulenter, instationärer Anströmung wird im weiteren Projektverlauf zur Entwicklung einer einfachen Entwurfsumgebung genutzt. Die Entwurfsumgebung basiert dabei auf dem weit verbreiteten Profilentwurfstool XFoil und berücksichtigt die Auswirkung von erhöhter Anströmturbulenz auf die Profilbeiwerte.

Ziel des Projekts ist neben der Untersuchung des Turbulenzeinflusses auf Profileigenschaften die Validierung dieser modifizierten Profilentwurfsmethode. Dazu wird ein konkreter Profilentwurf ausgearbeitet, der instationäre Anströmbedingungen berücksichtigt und anschließend mit Windkanal- und Freiflugmessungen untersucht. Ziel ist dabei die Anpassung vorhandener Profilentwürfe auf reale Anströmbedingungen mit hoher Turbulenz und ein möglichst niedriger Widerstandsbeiwert nicht nur in turbulenzarmen Strömungsbedingungen, sondern auch unter instationärer Anströmung.

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Abgeschlossene Projekte

Laminare Ablöseblasen sind ein entscheidendes Phänomen, auf das beim Entwurf widerstandsarmer Profile Rücksicht genommen werden muss. Dies gilt im Re-Zahlbereich der Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt, und noch mehr bei Re-Zahlen von UAVs.

Eine näherungsweise Berechnung von Ablöseblasen ist nur für stationäre Anströmung möglich. Für die Berücksichtigung realer Anströmbedingungen wie Turbulenz und Anstellwinkelschwankungen fehlt die wissenschaftliche Grundlage. Daher werden bisher zur Vermeidung von Ablöseblasen prophylaktisch ingenieurmäßige Maßnahmen ergriffen, die aber im Reiseflug den potentiellen Widerstandsgewinn reduzieren und somit den Kraftstoffverbrauch erhöhen.

Ziel des Projektes ist die Untersuchung von Ablöseblasen bei instationären Anströmbedingungen. Die Ergebnisse sollen eine Modellbildung erlauben und direkt in Profilentwurfsverfahren eingehen.

Verbesserte Verfahren bieten das Potential einer weiteren Widerstandsreduktion.


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In der Allgemeinen Luftfahrt stellen Unfälle aufgrund von Strömungsabriss und Verlust der Kontrolle seit Anbeginn einen hohen Anteil der Flugunfälle, insbesondere der Unfälle mit tödlichem Ausgang. 

Im Vorhaben ASASys wird ein Anti-Stall-Assistenz-System entwickelt, das den möglichen Strömungsabriss und das Abkippen des Flugzeugs rechtzeitig erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen einleiten soll, um so den Stall zu verhindern.  

Der notwendige Eingriff in den Längsmomenten-Haushalt des Flugzeugs soll über eine neu zu entwickelnde Spreizklappe auf der Unterseite des Höhenleitwerks erfolgen, die unabhängig von der Höhensteuerung und nachrüstbar an übliche Flugzeugkonfigurationen ausgeführt ist. 

Die Untersuchungen erfolgen durch Messungen und Berechnungen der Sensoren und Aktuator-Klappe im Windkanal und mittels geeigneter Rechenverfahren durch Aufbau einer Simulation des Gesamtsystems. 

Zum Abschluss soll die Umrüstung und Flugversuch mit einem zum Messflugzeug umgebauten Segelflugzeug erfolgen.  

Projektpartner sind das Institut für Flugregelung an der Universität Stuttgart sowie die Steinbeis Flugzeug- und Leichtbau GmbH. 

Natürliche Turbulenz in der Atmosphäre führt zu instationären Anströmbedingungen an Tragflügeln. Die vorgesehenen Experimente sollen die Grundlage für ein besseres physikalisches Verständnis der Transition bei realistischen d.h.instationären Anströmbedingungen legen. 

Durch experimentelle „Simulation“ realistischer Flugzustände im Windkanalversuch sollen detaillierte Erkenntnisse gewonnen werden, die dann, durch numerische Untersuchungen (DNS) ergänzt, ein möglichst umfangreiches Abbild ermöglichen. 

Die experimentellen Untersuchungen am Laminarwindkanal beinhalten den Bau eines Windkanalmodells mit implementierten Druckaufnehmern sowie einer Störquelle, die eine kontrollierte Einleitung von Störmoden in die Grenzschicht ermöglicht. 

Ein System zur gezielten Erhöhung des Turbulenzgrades des Laminarwindkanals wird entwickelt und eingebaut. 

Dabei sind sowohl Hitzdrahtmessungen bzgl. des Anströmzustandes als auch Messungen bzgl. der Grenzschichtzustände erforderlich. 

Die Flugmessungen im Projekt LTT werden von der Universität Darmstadt durchgeführt, die numerischen Simulationen vom IAG der Universität Stuttgart. 

Die Reduktion des Schallpegels in der Fahrgastzelle gewinnt in der Automobilindustrie an Bedeutung. Hierbei liegt ein besonderer Schwerpunkt in der Beseitigung von störenden tonalen Schallanteilen, die von den Seitenspiegeln ausgehen. Während die meisten tonalen Schallquellen durch gezielte Designrichtlinien unterbunden werden, weisen manche Seitenspiegel tonale Schallabstrahlung auf, deren zugrundeliegende Quellmechanismen weitgehend unerforscht sind. In diesem Zusammenhang werden im Laminarwindkanal experimentelle Untersuchungen zur tonalen Schallabstrahlung eines AUDI A7 Seitenspiegelentwurfs durchgeführt. Um den zugrundeliegenden Quellmechanismus zu identifizieren, wird die Strömungstopologie anhand von statischen und instationären Druckmessungen, Hitzdrahtanemometrie und Particle Image Velocimetry untersucht. Darüber hinaus kommen ein wandbündiges Mikrofonarray und ein In-Flow-Mikrofon zum Einsatz, um die Eigenschaften der tonalen Schallabstrahlung zu bestimmen.

Oberflächenrauhigkeiten im Bereich der Profilnase von Windturbinenblättern, die zum Beispiel durch Insekten  oder Oberflächenerosion hervorgerufen werden, können die Grenzschichttransition wesentlich stromauf verlagern. Dies führt zu einem beträchtlichen Anstieg des aerodynamischen Widerstands und somit zu einer Reduktion der Nutzleistung. Ziel der experimentellen Untersuchungen im Laminarwindkanal ist es, ein besseres Verständnis für die Interaktion von einzelnen, dreidimensionalen Rauhigkeitselementen mit einer laminaren Grenzschicht zu schaffen. Die Anströmbedingungen von Windkraftanlagen werden im Experiment durch eine gezielte Einbringung von Grenzschichtstörmoden stromauf der Rauhigkeitselemente abgebildet. Im Experiment werden wesentliche Parameter, wie Rauhigkeitsform und -höhe, Druckgradient und Anströmbedingungen gezielt variiert, um deren Einfluss auf den vorliegenden Transitionsmechanismus und die Transitionslage zu erfassen. Durch den Einsatz von zwei komplementären Messtechniken (Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie) wird eine hohe räumliche sowie zeitliche Auflösung der Strömungstopologie in der Nähe der Rauhigkeitselemente erzielt. Die experimentellen Untersuchungen werden durch Direkte Numerische Simulationen (DNS) ergänzt, die am Laboratory of High Performance Computations an der Universität von Sao Paulo durchgeführt werden.

Das Forschungsvorhaben zielte auf die Entwicklung von akustischen Messverfahren für die Ermittlung der Lärmemission von Tragflügelprofilen.  Dabei lag der Schwerpunkt auf der Messung von Hinterkantenlärm, abgestrahlt von der Profilhinterkante, welcher meist die dominante Lärmquelle z.B. bei Windkraftanwendungen und Tragflügeln darstellt.
Insbesondere sollten Verfahren zur Einsatzreife gebracht werden, die in aerodynamischen, typischerweise "lauten" Windkanälen eingesetzt werden können. Durch die direkte Koppelung von aerodynamischen und akustischen Messungen ergeben sich wesentliche Vorteile im Hinblick auf die Qualität und Konsistenz der gewonnenen Daten. Die Herausforderung bei den akustischen Messungen ist dabei die Trennung des zu messenden Signals von dem höheren Hintergrundpegel eines schalltechnisch nicht optimierten Windkanals.
Zwei Lösungsansätze sollten betrachtet werden, I.) ein Mikrofon In-Flow-Array und II.) die direkte Messung der Schallschnelle mit einer speziellen Hitzdrahtanordnung. Beide Verfahren ergänzen sich insoweit, als das Mikrofon-Array eine sehr gute räumliche Auflösung ermöglicht, während das Hitzdrahtverfahren einen breiten Frequenzbereich abdeckt.
Es sollten bislang offene Punkte der Verfahren im Hinblick auf die Ermittlung quantitativer Messwerte geklärt, sowie mögliche Verbesserungen des Signal-Rausch-Verhältnisses untersucht und umgesetzt werden. Der kombinierte Einsatz von zwei Verfahren ermöglichte zum einen die Vorteile des jeweiligen Verfahrens auszunutzen, zum anderen aber auch die gegenseitige Validierung der komplexen Datenauswertung.
Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Institute of Theoretical and Applied Mechanics (ITAM, Novosibirsk) durchgeführt.

Im Rahmen des EU-Projektes SIROCCO beschäftigten wir uns mit Design und Tests von Profilen mit reduzierter Lärmabstrahlung. Vor dem Hintergrund allgemein strengerer Lärmschutzforderungen ist die Entwicklung von leisen Profilen eine wichtige Aufgabe für die Zukunft. Die Lärmentstehung hat beispielsweise einen großen Einfluss auf Akzeptanz und Möglichkeiten der Flächennutzung von Windparks.
Die aerodynamischen Messverfahren am Laminarwindkanal wurden um aero-akustische Messtechniken erweitert. Es wurden einige Modifikationen am Windkanal durchgeführt, um den Hintergrundlärmpegel zu senken und ein neues hitzdrahtbasiertes Messverfahren (Coherent Particle Velocity (CPV)-Methode) für die in-flow Messung von Hinterkantenlärm entwickelt.

Das schwach nicht-lineare Stadium des laminar-turbulenten Umschlagsprozesses wurde in einem internationalem Projekt der DFG und der RFBR (Russian Foundation of Basic Research) untersucht. Die in diesem Stadium auftretende resonante Wechselwirkung von TS-Instabilitätsmoden führt zu einer sehr starken Anfachung weiterer Störmoden in einem breiten Frequenzspektrum. Amplitude und Frequenz der fundamentalen TS-mode dominieren die Anfachung mit Wachstumsraten, die deutlich über dem exponentiellen Wachstum der fundamentalen TS-mode liegen. Dies führt zur Ausbildung nichtlinearer Strukturen und schließlich zum laminar-turbulenten Umschlag in eine turbulente Grenzschicht. Das Projekt wurde im September 2005 abgeschlossen.

Im Bereich der Grundlagenforschung wurden umfangreiche Untersuchungen zum laminar-turbulenten Strömungsumschlag durchgeführt. Im Rahmen des von der DFG  (Deutsche Forschungsgemeinschaft) geförderten Projekts "Transition", welches 2003 abgeschlossen wurde, konzentrierten wir uns auf Rezeptivitätsmechanismen von laminaren Grenzschichten, dem ersten Schritt zur Transition. 
Unter kontrollierten Bedingungen wurden Messungen durchgeführt, die Einsichten in die Umwandlung äußerer Störungen (Schall, Schwingungen, Turbulenz) in innere Störungen (Anfachung von Tollmien-Schlichting-Wellen) der Grenzschicht ermöglichten. Innerhalb dieses Projekts entwickelte sich eine enge Kooperation mit der Transitionsgruppe am Institute for Theoretical and Applied Mechanics (ITAM) in Novosibirsk. 
Die Ergebnisse der Messungen wurden mit den Ergebnissen der Direkten Numerischen Simulation (DNS) verglichen, die in unserem Institut durchgeführt wurden.

Kontakt:

Dieses Bild zeigt Ulrich Deck, M.Sc.

Ulrich Deck, M.Sc.

 

Leiter Arbeitsgruppe Laminarwindkanal

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