Forschung

Das IAG beschäftigt sich mit der Erforschung strömungsphysikalischer Fragestellungen, wie sie vor allem bei Luftfahrzeugen und Windenergieanlagen auftreten. Hierfür stehen dem Institut umfangreiche experimentelle Versuchsanlagen sowie numerische Simulationsverfahren zur Verfügung. Letztere werden entweder selbst entwickelt, oder es finden Anpassungen und Weiterent­wicklungen von bestehenden Verfahren statt.

Im Bereich der Grundlagenforschung werden mittels Direkter Numerischer Simulation (DNS) und linearer Stabilitätstheorie (LST) Untersuchungen zum laminar-turbulenten Strömungsumschlag in wandgebundenen Grenzschichten durchgeführt. Mit dem so gewonnenen besseren Verständnis der zugrunde liegenden Transitionsmechanismen werden Maßnahmen zur gezielten Strömungsbeeinflussung entwickelt, um das Einsetzen der Turbulenz zu verzögern und dadurch den aerodynamischen Wider­stand und den Wärmeübergang zu reduzieren. Die numerischen Arbeiten werden durch experimentelle Untersuchungen im institutseigenen Laminarwindkanal (LWK) unterstützt, der über eine ausgezeichnete Strömungsqualität verfügt. Darüber hinaus sind Wechselwirkungen zwischen der Grenzschicht und Verdichtungsstößen, wie sie z.B. im Einlaufbereich luftatmender Triebwerke bei Überschallanströmung auftreten, Gegenstand der Forschung.

Ein weiteres Forschungsfeld ist die Aerodynamik und Aeroakustik von Flugzeugen, Hubschraubern und Windener­gieanlagen. Hierbei kommen zeit- und skalenauflösende numerische Simulationsverfahren zum Ein­satz. Um die resultierenden aerodynamischen Kräfte und Momente möglichst realitätsnah vorherzusagen, ist oftmals eine Kopplung mit der Strukturdynamik erforderlich, die die lastbedingten Verformungen berücksichtigt. Aus den Simulationsergebnissen lassen sich wichtige Erkenntnisse zur Optimierung des Leistungsbedarfs, der Flugeigenschaften und der Lärmemission ableiten. Bei Windenergieanlagen steht neben einer Steigerung der Effizienz und einer Reduzierung der Lärmbelastung die Minimierung der instationären Lasten auf den Rotor im Vordergrund. Hierbei wird insbesondere die Wechselwir­kung mit der turbulenten atmosphärischen Zuströmung in die Simulation einbezogen. Die numerischen Arbeiten werden durch kombinierte aero-akustische Profilmessungen im LWK unterstützt.

Zur Verbesserung der Vorhersagequalität werden numerische Verfahren höherer Ordnung entwi­ckelt, wobei insbesondere neue Ansätze, wie z.B. Discontinuous-Galerkin-Verfahren verfolgt werden. Zudem werden die Methoden hinsichtlich ihres Anwendungsspektrums, z.B. auf Mehrphasenströmungen mit scharfer Auflösung der Grenzflächen, erweitert.

Neben dem bereits erwähnten Laminarwindkanal verfügt das Institut über weitere Wind- und Wasserkanäle, von denen insbesondere der Laminarwasserkanal (für Grundlagenuntersuchungen zu Grenzschichtströmungen), der Grenzschichtwindkanal (für Strömungen um Gebäude oder über komplexes Gelände) und diverse Überschallkanäle zu erwähnen sind.  




Links zu den einzelnen Abteilungen und Forschungsgebieten:

Gasdynamik

Gebäudeaero-
dynamik

Grenzschichten

Helikopter

Laminarwasser-
kanal

Laminarwind-
kanal

Luftfahrzeug-
aerodynamik

Numerische
Methoden

Transition

Windenergie

 



Beschreibungen Forschungsgebiete bitte klicken:

Aeroakustik

Drehflügler-
aeromechanik

Grenzschichts-
strömungen

Luftfahrzeug-
aerodynamik

Überschall-
strömungen

Numerische
Strömungsmechaik

Numerische
Aeroakustik

Numerische
Methoden
Magneto-
Hydrodynamik

Numerische
Methoden
Plasmaphysik

Numerische
Methoden
Mehrphasen-
strömungen

 





Aeroakustik:

In engem Zusammenhang mit den oben beschriebenen Forschungsfeldern stehen die numerischen und experimentellen Arbeiten zur Aeroakustik am IAG. Ziele sind dabei die Lokalisierung von strömungsinduzierten Schallquellen, die Berechnung der Schallausbreitung mittels Integralverfahren sowie die Erarbeitung von Maßnahmen zur Lärmreduzierung. Die wesentlichen Anwendungsfelder sind der durch Blatt-Wirbelinterferenz erzeugte Lärm am Hubschrauberrotor, der durch Interaktion der turbulenten Grenzschicht mit der Profilkontur erzeugte Hinterkantenlärm an den Flügeln von Luftfahrzeugen und Windkraftanlagen, sowie der von Gebläsen, Ventilatoren etc. ausgehende stochastische Lärm. Aktuell laufen die ersten Vorarbeiten zur Umrüstung des Laminarwindkanals mit dem Ziel, in diesem aerodynamisch hochwertigen Kanal simultan Akustikmessungen hoher Güte durchführen zu können. Mit der CPV-Hitzdrahtmethode befindet sich eine neuartige Messtechnologie zur Bestimmung der Schallabstrahlung in Entwicklung.

Drehflügler-Aeromechanik

Im Mittelpunkt der Arbeiten steht die Weiterentwicklung numerischer Verfahren zur Simulation der hochkomplexen Strömung am Hubschrauber. Neben der Umströmung des Hauptrotors, bei der die dynamischen Verformungen der Rotorblätter sowie in jüngster Zeit die Klappensysteme für eine aktive Einzelblattsteuerung mitbetrachtet werden, sind insbesondere die Interferenzen zwischen Rotor, Zelle und Heckrotor von Interesse. Das dort erworbene Know-How wird zum einen bei der Entwicklung einer eigenen Rotordrohne genutzt und zum anderen auf allgemeine drehungsbehaftete Strömungen, z.B. in Gebläsen, Ventilatoren etc. übertragen. Im Rahmen der Verfahrensentwicklung laufen derzeit Arbeiten zur Erweiterung von Discontinuous-Galerkin-Verfahren auf reibungsbehaftete Strömungen.

Grenzschichtströmungen:

Hierbei geht es vor allem um die Untersuchung des Verhaltens von 2D- und 3D-Wand-grenzschichten und freien Scherschichten im subsonischen bis supersonischen Geschwin-digkeitsbereich. Eine weitere wesentliche Aufgabe ist die Erarbeitung von Maßnahmen zur aktiven und passiven Grenzschichtbeeinflussung. Wichtige Elemente bilden die Forschungsarbeiten auf den Gebieten Strömungsablösung, Transition und Turbulenz. Für die experimentellen Untersuchungen werden der Laminarwindkanal und der Laminarwasserkanal genutzt, die beide über eine hervorragende Strömungsqualität verfügen. Numerisch kommen vor allem DNS-Verfahren hoher Ordnung zum Einsatz. Ein wichtiges Arbeitsgebiet ist auch die Strömungsvisualisierung. Hier werden effiziente Verfahren zur Extraktion und Darstellung relevanter Informationen aus den riesigen Mengen stationärer und instationärer Ergebnisdaten entwickelt.

Luftfahrzeugaerodynamik:

Einen Schwerpunkt der Arbeiten bilden die Analyse, der aerodynamischer Entwurf sowie die numerische Optimierung von Teilkomponenten (Profile, Tragflügel, Leitwerke, Propeller etc.) von Luftfahrzeugen. Hierzu existiert eine CFD-basierte Prozesskette, die mit einer Optimierungsumgebung gekoppelt ist. Optional können aeroelastische Strukturdeformationen berücksichtigt werden. Die sehr anwendungsorientierten Arbeiten sind in erster Linie auf Flächenflugzeuge, aber auch auf Luftschiffe ausgerichtet. In jüngster Zeit wird zudem verstärkt an der Optimierung von lärmarmen Profilen für Windkraftanlagen und der Entwicklung verbesserter Vorhersageverfahren gearbeitet. Experimentell werden die Arbeiten durch Untersuchungen in den Windkanälen des Instituts unterstützt. Eine neue Aufgabe ist die Berechnung der instationären Strömung in der seitlich offenen Ladebucht eines Trägerflugzeugs, um die Belastung auf die mitgeführte Nutzlast sowie die Schwingungsanregung ermitteln zu können.

Überschallströmungen:

Dieser Schwerpunkt befasst sich mit der experimentellen und der numerischen Untersuchung von Kompressibilitäts- und Grenzschichteffekten in Strömungen bei hohem Überschall. Von besonderem Interesse sind dabei die Stoß-Grenzschicht- und Stoß-Stoß-Wechselwirkungen sowie das Stabilitätsverhalten von Grenzschichten an den Vorkörpern von Über- und Hyperschallkonfigurationen und an Einfach- und Mehrfachrampensystemen (z.B. bei Triebwerkseinläufen und Steuerklappen). Für die Experimente kommt in erster Linie der große Stoßwindkanal mit einem Messstreckenquerschnitt von 1.2m x 0.8m, einer sehr guten Strömungsqualität und realisierbaren Reynoldszahlen von bis zu 70 Mio m-1 zum Einsatz. Die numerischen Untersuchungen erfolgen mittels spezieller RANS und DNS-Verfahren. Zur Erfassung von hoch instationären Wärmeströmen wird z.Zt. eine neue Messtechnologie unter Verwendung der Atomlagenthermosäule entwickelt.

Numerische Strömungsmechanik und Wissenschaftliches Rechnen:

Der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe von Prof. Munz ist die Konstruktion numerischer Methoden, deren Implementierung und Optimierung in Rechenprogramme für Höchstleistungsrechner. Anwendungen werden für die Validierung, aber auch für den Nachweis der Qualität und der Effizienz der numerischen Methoden durchgeführt. Prof. Munz ist kooptiertes Mitglied der Fakultät Mathematik. Die Finite-Volumen- (FV-) oder auch Finite-Element- (FE-)-Verfahren hoher Ordnung werden als effiziente Verfahren für zukünftige CFD-Programme entwickelt und untersucht. Ein Kandidat für die hohe Ordnung sind sogenannte ADER-Verfahren (Arbitrary order using DERivatives). Eine Rechenprogramm-Entwicklung für ADER Discontinuous Galerkin-Verfahren auf unstrukturierten Gittern ist in einem EU-Projekt mit namhaften Forschungs- und Industriegruppen beantragt.

Numerische Aeroakustik:

Die Leistungskraft der Computer aber auch die Güte der numerischen Methoden macht es mehr und mehr möglich im und in der Nähe des Strömungsgebietes die Lärmentstehung und Ausbreitung zusammen mit der Strömung zu berechnen. Damit eröffnet sich die Identifikation der Lärmquellen und die Möglichkeiten zur Reduktion. Zur Simulation der Lärmausbreitung benötigt man Verfahren mit geringer numerischer Dispersion und Dissipation, also Verfahren hoher Ordnung, welche speziell für die linearen Wellenprobleme optimiert sind. Diese Verfahren sind am IAG als Verfahren beliebiger Ordnung konstruiert und auf alle Wellenmodelle der Aeroakustik anwendbar. Die 3-dimensionale Version auf unstrukturierten Gittern ist seit kurzem im Einsatz und wird in Kooperation mit dem DLR für komplexe Anwendungen weiterentwickelt. Die Strömungs-Akustik-Kopplung wird sowohl in einem hybriden Ansatz mit Volumenkopplung als auch über Oberflächenkopplung ausgeführt. Professor Munz ist Koordinator der deutsch-französischen Forschergruppe FOR 508 "Noise Generation in Turbulent Flow". Zwei Projekte im IAG (Munz, Krämer) sind hier vertreten.

Numerische Methoden der Magneto-Hydrodynamik, Plasmaphysik und Mehrphasenströmungen:

Neben der Entwicklung und Anwendung numerischer Verfahren im Bereich der Aeroakustik und Aerodynamik werden die entwickelten Methoden auch auf komplexere mathematische Modelle der Strömungsmechanik erweitert. Die Kooperationspartner sind vor allem in den Anwendungen aktiv, welches eine gute Synergie zu unserer Entwicklung numerischer Methoden ergibt. Verfahren für Strömungen mit der Wechselwirkung von elektro-magnetischer Felder konstruiert mit Anwendungen in der Astrophysik. Bei der Simulation von elektrischen Satellitenantrieben werden Teilchenmodelle benutzt, da hier das Medium zu dünn für Kontinuumsansätze ist. Ein aktuelles Projekt wird hier mit dem Institut für Raumfahrtsysteme und dem Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt. Zusammen mit der Robert Bosch GmbH wird die Entwicklung numerischen Methoden im Bereich kavitierender Strömungen untersucht.