Numerische Untersuchung der Wirbel-Wirbel- und Wirbel-Stoß-Interaktion in transsonischen Strömungen

Kurzfassung

Die Strömungstopologie moderner Mehrfachdeltaflügel-Konfigurationen im schallnahen Geschwindigkeitsbereich ist geprägt von starken Längswirbeln, die je nach Flugzustand miteinander oder mit Verdichtungsstößen über dem Flügel interagieren können. Im Rahmen dieser Arbeit wird diese Wirbel-Wirbel- und Wirbel-Stoß-Interaktionen numerisch mithilfe des DLR-TAU-Codes untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Stabilität der Wirbel gegenüber Wirbelplatzen durch die Interaktion mit Verdichtungsstößen. Für den Großteil der numerischen Simulationen werden konventionelle Navier-Stokes-Simulationen verwendet, für einige ausgewählte Fälle wird zudem zusätzlich ein skalenauflösendes IDDES-Verfahren angewendet. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Umströmung einer generischen Mehrfachdeltaflügel-Konfiguration, des DLR-F22-Modells, im Machzahlbereich von Ma = 0,50 bis Ma = 1,41. Die Strömungstopologie am DLR-F22-Modell ist dominiert von mehreren Primärwirbeln. Bei schallnahen Geschwindigkeiten bilden sich zudem Verdichtungsstöße über dem Modell. Im Rahmen der Arbeit wird der Einfluss des Anstellund Schiebewinkels sowie der Anströmmachzahl und des Grundrisses des Modells auf die resultierenden Wirbel-Interaktionen untersucht. Dabei werden über einen breiten Anstellwinkel- und Machzahlbereich deutliche Wirbel-Wirbel-Interaktion, inklusive Verschmelzung der Primärwirbel beobachtet. Bei transsonischen Geschwindigkeiten tritt zudem stoßinduziertes Wirbelplatzen auf. Zur Validierung der Ergebnisse der numerischen Simulationen stehen experimentelle Vergleichsdaten aus Windkanalmessungen zur Verfügung. Beim Vergleich zwischen Numerik und Experiment treten dabei deutliche Abweichungen im Bereich des schwächer gepfeilten Hauptflügels zutage, die erst durch die Verwendung skalenauflösender Verfahren ausgeräumt werden können. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Interaktion generischer Längswirbel mit einem schiefen Verdichtungsstoß untersucht. Die Verwendung eines generischen Testfalls ermöglicht es, die relevanten Parameter der Wirbel-Stoß-Interaktion direkt zu beeinflussen. In einem ersten Schritt wird im Rahmen einer Parameterstudie der Einfluss der Zirkulation und des axialen Geschwindigkeitsdefizits des Wirbels auf die Stabilität gegenüber Wirbelplatzen durch die Wirbel-Stoß-Interaktion analysiert. Dabei wird gezeigt, dass eine Erhöhung der Zirkulation oder des Geschwindigkeitsdefizits zur Destabilisierung des Wirbels führt. In einem zweiten Schritt wird zur Untersuchung der Wirbel-Wirbel-Interaktion ein zweiter Wirbel in das Strömungsfeld eingebracht. In Abhängigkeit vom Abstand der Wirbel zueinander und dem relativen Drehsinn führt dies entweder zu einer Stabilisierung oder einer Destabilisierung des Hauptwirbels. Basierend auf den numerischen Ergebnissen wird anschließend ein überarbeitetes Wirbelplatzkriterium definiert und anhand von Daten aus der Literatur validiert. Die Vorhersagen des neuen Kriteriums erweisen sich dabei über einen breiten Machzahlbereich als genauer als die von früheren Platzkriterien aus der Literatur. Im Rahmen der Arbeit wurde zudem ein Verfahren zur Durchführung der globalen Stabilitätsanalyse implementiert und erstmals auf den Fall der Wirbel-Stoß-Interaktion angewandt. Durch einen Vergleich mit instationären Simulationen werden die mithilfe der Stabilitätsanalyse gefundenen Stabilitätsgrenzen und somit die Anwendbarkeit des Verfahrens auf den Fall der Wirbel-Stoß-Interaktion bestätigt.