Numerische Untersuchung des dreidimensionalen Strömungsabrisses an einer Blattspitze

Kurzfassung

Der dynamische Strömungsabriss (engl.: Dynamic Stall) schränkt die Fluggeschwindigkeit und Agilität von Hubschraubern ein und wird seit Jahrzehnten intensiv erforscht. In dieser Arbeit werden umfangreiche URANS-Simulationen mit dem unstrukturierten Finite-Volumen-Löser DLR-TAU durchgeführt, um die dreidimensionalen Effekte des dynamischen Strömungsabrisses zu analysieren. Die Untersuchungen finden am ONERA-Blattspitzenmodell bei einer Machzahl von 0.16 und einer Reynoldszahl von 10e6 sowie am DLR-­Blattspitzenmodell bei einer Machzahl von 0.16 und einer Reynoldszahl von 9 x 10e5 statt. Die Simulationen an der ONERA-Blattspitze werden mit Windkanaldaten validiert und anhand von Simulationen mit dem struktierten elsA-Code verglichen. Während es in den URANS-Simulationen unter Verwendung des Spalart-Allmaras-Turbulenzmodells lediglich zu einer Hinterkantenablösung ohne Übereinstimmung mit den experimentellen Daten kommt, wird mit dem SST-Turbulenzmodell eine qualitative Übereinstimmung mit dem Experiment erzielt. Die Simulationen zeigen die Bildung einer Q-förmigen Wirbelstruktur, die die Aerodynamik am Modell prägt und mit spannweitigen Geschwindigkeiten V > 1 x U einhergeht. Am DLR-Blattspitzenmodell bilden sich aufgrund der großen Spannweite sogar mehrere Q-förmige Wirbel, wobei die Schwingungsfrequenz die Topologie des Ablöseprozesses beeinflusst. Bei der niedrigsten untersuchten Frequenz breitet sich die Ablösung von der Blattspitze heraus, während höhere Frequenzen dazu führen, dass sich der Wirbel bei 60% Spannweite zu bilden beginnt. Für die Dynamic Stall-Vorhersage ist auch die Transitionsmodellierung wichtig, jedoch ändern sich in dieser Studie die integralen Beiwerte im Vergleich zu vollturbulenten Simulationen nur geringfügig. Die zweidimensionalen Simulationen zeigen, dass die Beiwerte an der Ablöseposition vergleichbar mit denen der dreidimensionalen Simulationen sind, während größere Unterschiede in weiter entfernten Positionen vorhanden sind. Beim Blattspitzenwirbel kommt es während des betrachteten Dynamic Stall-Falls zu starken Hystereseeffekten zwischen dem Auf-und Abnicken des Flügels. Die Untersuchungen liefern einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis des dynamischen Strömungsabrisses, einer Grundvoraussetzung für die Weiterentwicklung moderner Hubschrauber.