Experimentelle und numerische Untersuchung zum transsonischen Flügelflattern im Hinblick auf nichtlineare Effekte

Kurzfassung

Die Flatterinstabilität bei der Umströmung eines elastischen Tragflügels ist im allgemeinen ein nichtlineares Phänomen, das aus dem Wechselspiel zwischen aerodynamischen, elastischen und Trägheits-kräften resultiert. Die Nichtlinearität liegt in der Art der Abhängigkeit der aerodynamischen Kräfte von der Amplitude. Die Komplexität des Problems und die Neigung zum Flattern wird erhöht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit in die Nähe der Schallgeschwindigkeit kommt, das heißt in den Bereich in dem moderne Transportflugzeuge fliegen. Es sind Flatterphänomene zu beobachten, die wahrscheinlich durch Verdichtungsstoß/Grenzschicht Wechselwirkung und stoßinduzierte Ablösung verursacht werden und die mit den konventionellen Erklärungsmustern nicht zu verstehen sind. Vor diesem Hintergrund wurde für die experimentellen und numerischen Untersuchungen eine mög-lichst einfache Geometrie (2D-Flügel) gewählt, so daß die typi-schen transsonischen Phänomene in möglichst reiner Form auftreten. In den transsonischen Experimenten zeigte der Übergang zum Flattern das typische Erscheinungsbild einer Hopf-Verzweigung (Grenzzyklusschwingungen). Drei verschiedene amplitudenbegrenzte Flattertypen wurden beobachtet. Wie bei einem nichtlinearen System prinzipiell möglich, reichen sehr kleine Kräfte aus, um mit einer einfachen Regelung den Systemzustand zu steuern. Druckverteilungen wurden im Zustand des Flatterns, bei zwangserregten, harmonischen Schlag- und Torsionsschwingungen in entsprechend angepaßten Versuchsanordnungen aufgenommen. Die numerischen Simulationen sind darauf konzentriert, die gekoppelten Differentialgleichungen für die Strömung und den in 2 Freiheitgraden elastisch aufgehängten Flügel im Zeitbereich zu lösen. Dabei werden für die Modellierung der Strömung Euler- und Navier-Stokes-Verfahren eingesetzt. Ein einfaches Experiment zur Demonstration des Flügelflatterphänomens wird vorgeführt.