Einfluss turbulenter Grenzschichten auf die aeroelastische Stabilität dünnwandiger Schalen

Abstract

In der vorliegenden Dissertation wird die Frage erörtert, wie turbulente Grenzschichten die aeroelastischen Eigenschaften dünnwandiger Schalen in schallnahen Strömungen beeinflussen. Aufbauend auf vorangegangenen Studien, die im Kontext solcher "Panelflatter"-Problemstellungen einen dämpfenden Einfluss der Grenzschicht nachweisen, quantifiziert die vorliegende Arbeit zunächst den Einfluss viskoser Strömungsphänomene auf die aeroelastische Stabilitätsgrenze ebener Schalen, um anschließend die Systemdynamik in den instabilen Zustandsbereichen zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wird ein partitionierter Lösungsansatz zur Kopplung der strukturdynamischen Modellgleichungen und der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) implementiert und ausführlich validiert. Mit besonderem Fokus auf den hinsichtlich der aeroelastischen Stabilität als kritisch bewerteten Mechanismus des Ein-Freiheitsgrad-Flatterns wird über ein vereinfachtes aerodynamisches Ersatzmodell eine phänomenologische Erklärung für den Energietransfer zwischen Strömung und Struktur abgeleitet. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse lässt sich der dämpfende Grenzschichteinfluss auf einen ausgeprägten Unterschallcharakter der bewegungsinduzierten Stördruckverteilung im supersonischen Machzahlbereich zurückführen. Mithilfe numerischer Lösungen der RANS-Gleichungen wird nachgewiesen, dass dieser Unterschallcharakter maßgeblich von der lokalen Geschwindigkeitsverteilung in der Grenzschicht abhängt. Eine Analyse axial umströmter Kreiszylinderschalen zeigt abschließend, dass sich der dämpfende Einfluss turbulenter Grenzschichten auch auf gekrümmte Schalen übertragen lässt. Aus den qualitativen Unterschieden der aeroelastischen Eigenschaften ebener und zylindrischer Schalen werden Forschungsfragen für weiterführende Arbeiten abgeleitet.