Experimentelle Untersuchung der Aerodynamik und Aeroakustik kleiner Rotoren im Schwebe- und Vorwärtsflug

Abstract

Obwohl sowohl die Aerodynamik als auch die Aeroakustik von Hubschrauberrotoren bereits seit vielen Jahren intensiv erforscht werden, lassen sich diese nicht unmittelbar auf Kleinrotoren übertragen. Insbesondere sind die Zusammenhänge zwischen dem Strömungszustand und der Schallemission von Kleinrotoren bisher noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit werden die Zusammenhänge zwischen der Strömungstopologie und der Entstehung von Schallquellen an Kleinrotoren vor allem experimentell, aber auch numerisch untersucht. Dazu werden Schub- und Leistungsmessungen an elf kommerziellen Kleinrotoren bei unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten, Drehzahlen und Neigungswinkeln durchgeführt. Die optische Analyse der Strömungsfelder erfolgt mit Particle Image Velocimetry (PIV) und mit der Background Oriented Schlieren (BOS) Methode. Für die akustische Untersuchung wird ein Mikrofonarray eingesetzt und die Schallquellen mithilfe von Beamforming-Algorithmen lokalisiert. Zusätzlich werden die Strömungsfelder mit einem Panelverfahren (UPM) simuliert und die Schallemission mit einem Ffowcs Williams-Hawkings-Löser (APSIM) berechnet. Die Untersuchungen zeigen, dass erst durch die Kombination von akustischen und optischen Messtechniken sowie Simulationen der Aerodynamik und Aeroakustik eine hinreichende Analyse der Schallentstehungsmechanismen von Kleinrotoren möglich ist. Die optischen Messtechniken und die UPM-Simulationen helfen die komplexen Strömungsvorgänge am Rotor zu verstehen und erweisen sich als wertvolle Ergänzung zur Interpretation der Schallquellen des Rotors.