Autoritätssteigerung von Steuerflächen durch aktive Maßnahmen : Numerischer Entwurf und Analyse von aktiver Strömungskontrolle an Steuerflächen : Abschlussbericht

Abstract

Ein Beitrag zu einer umweltfreundlicheren Luftfahrt kann durch die Aerodynamik erbracht werden, indem die Autorität der Steuerflächen gesteigert wird. Typischerweise bestehen Steuerflächen aus spaltlosen Scharnierklappen, deren Kontrollautorität durch das Auftreten von Ablösungen bei großen Klappenausschlägen limitiert ist. Eine Beeinflussung der Ablösung führt zu einer besseren Wirksamkeit - die Steuerflächen können verkleinert werden, woraus sich eine Widerstandsreduktion und damit eine bessere Ökoeffizienz des Gesamtflugzeuges ergibt. Um dies zu erreichen wurden drei Konzepte numerisch und experimentell untersucht: Konzept 1 ist das tangentiale Ausblasen von Luft im Bereich der Scharnierlinie, wobei die durch den Ausschlag der Steuerfläche entstehende Krümmung wie eine Coanda-Oberfläche genutzt wird. Konzept 2 ist die Nutzung von Längswirbeln, wobei diese sowohl passiv als auch aktiv erzeugt werden und in einer großen Bandbreite an Größen getestet werden. In Konzept 3 wird durch sog. "fluerische Aktuatoren" die turbulente Grenzschichtströmung durchmischt. Als gemeinsamer Testfall wird eine Seitenleitwerksgeometrie verwendet. Anhand eines Referenzfalles mit 30° Ruderausschlag ohne Ausblasung wurde ein Vergleich der Simulation der Grundströmung mit den Windkanalergebnissen der Projektpartner durchgeführt. Dabei war zu erkennen, dass bei numerischen Simulationen im Vergleich zum Experiment die auftretende Vorderkatenablösung, die sich von der Spitze des Seitenleitwerkes aus bei Schiebewinkeln um 7° entwickelt, einen stärkeren Einfluss auf den erzeugbaren Seitenkraftbeiwert hat und einen stärkeren Einbruch zeigt. Simulationen mit dem RSM Turbulenzmodell haben generell geringere Seitenkraftbeiwerte geliefert als Simulationen mit dem SARC Turbulenzmodell, da bei der Verwendung von RSM eine Ablösung auf dem Ruder vorhergesagt wird. Der Vergleich zwischen stationären und instationären Simulationen zeigte lediglich geringe Unterschiede. Für das tangentiale Ausblasen (Konzept 1) wurde eine große Variation der Schlitzparameter durchgeführt. Auf der einen Seite war das Ausblasen bei halber Spannweite für alle drei Konzepte sehr effizient in Hinblick auf die erzielbare Erhöhung der Seitenkraft pro benötigtem Massenstrom. Andererseits hat die Strömungskontrolle im oberen Bereich des Leitwerkes nahezu keinen Effekt auf den erreichbaren Seitenkraftbeiwert, da dieser Bereich stark mit dem Randwirbel interagiert. Ausgehend von einem durchgehenden Schlitz über einen großen Teil der Spannweite konnte die Effizienz gesteigert werden, indem diskrete Schlitze eingesetzt wurden. Eine vielversprechende Variante mit 22 diskreten Schlitzen wurde im Windkanal untersucht. Der durchgehende Schlitz zeigte eine geringere Effizient als die diskreten Schlitze, war aber bei größerem Massenström auch zu einer stärkeren Erhöhung des Seitenkraftbeiwerts in der Lage. Die numerische Vorhersage konnte dabei vom Experiment bestätigt werden. Die Abweichungen zwischen Experiment und numerischer Simulation waren dabei bei aktiver Strömungskontrolle höher als im Referenzfall. Dies konnte auch für die Konzepte 2 und 3 beobachtet werden. Bei Konzept 2 wurden lediglich fünf Ausblasöffnungen im unteren Bereich des Seitenleitwerkes eingesetzt, weshalb auch nur in diesem Bereich die Ablösung vermindert werden konnte. Es wurde gezeigt, dass das Ausblasen an der Vorderkante von Konzept 3 die Vorderkantenablösung vermindern kann. Ebenso wurde bei Konzept 3 das Potential von gepulstem Ausblasen an der Klappe deutlich, da damit der notwendige Massenstrom halbiert werden kann ohne die erreichbare Seitenkraft signifikant zu beeinflussen.