Istitut für Aerodynamik und Gasdynamik

Forschung und Projekte

der Arbeitsgruppe Laminarwindkanal

Versuchsaufbau zum Projekt LTT-USTUTT (c)
Versuchsaufbau zum Projekt LTT-USTUTT

Aktuelle Projekte

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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.

Abgeschlossene Projekte

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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:

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Dr.-Ing.

Werner Würz

Leiter Laminarwindkanal