Numerische Optimierung von zweidimensionalen Hochauftriebskonfigurationen durch Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur numerischen Optimierung von zweidimensionalen Hochauftriebskonfigurationen vorgestellt. Es verbindet die numerische Strömungssimulation durch Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit Strategien der direkten Optimierung aus dem Bereich der numerischen Mathematik zu einem Entwurfswerkzeug zur aerodynamischen Optimierung von solchen Konfigurationen. Bei der numerischen Optimierung wird eine Konfiguration, die durch freie Parameter veränderlich dargestellt ist, durch einen Optimierungsalgorithmus sukzessive solange modifiziert und aufgrund der nachfolgenden Strömungsberechnung bewertet, bis eine im Sinne der Entwurfsaufgabe optimale Konfiguration ermittelt ist. Hierbei handelt es sich um einen automatisierten Prozeß, der zur Laufzeit keine Einwirkung des Entwerfers verlangt. Durch die Validierung der numerischen Strömungssimulation anhand von Messungen für ein Einfachprofil und ein 3-Elemente-Profil erfolgt eine fundierte Auswahl des Turbulenzmodells und der für die Optimierung erforderlichen Netzfeinheit. Die Auswahl des Optimierungsalgorithmus wird anhand analytischer Testfunktionen aufgrund von Kriterien getroffen, die zur Bewertung in Hinblick auf die numerische aerodynamische Optimierung sinnvoll sind. Die Validierung des gesamten Optimierungssystems erfolgt durch die Anwendung auf ein 3-Elemente-Profil, für das ein Vergleich zu experimentellen Optimierungen gezogen werden kann. Letztlich wird das Potential zur Leistungssteigerung von Hochauftriebskonfigurationen durch den Einsatz dieses Entwurfsverfahrens am Beispiel eines 3-Elemente-Profils aufgezeigt, für das verschiedene Optimierungen durchgeführt werden.