Numerische Simulation der Beeinflussung von Vorderkantenwirbeln durch Ausblasen

Abstract

Das Platzen von Vorderkantenwirbeln an Deltaflügeln bei hohen Anstellwinkeln und die damit verbundene Reduktion des Auftriebs, sowie Induktion unerwünschter Momente, stellt die maßgebliche Limitierung der aerodynamischen Leistungsfähigkeit dieses Flügeltyps dar. Aus diesem Grund wird intensiv an Möglichkeiten geforscht, die Vorderkantenwirbel zu stabilisieren, um so die Agilität und Sicherheit entsprechender Flugzeuge weiter zu steigern. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Wirbelkontrolle mittels aktiver Luftausblasung numerisch untersucht. Dazu wird eine geeignete Einstellung der entsprechenden Randbedingung zunächst anhand des simpleren Strömungsfalls einer Rampenströmung erarbeitet und dann auf das verwendete generische Mehrfachdeltaflügel-Modell (DLR-F23) übertragen. An diesem wird eine umfangreiche Parameterstudie zur Ausblasung durchgeführt, bei der neben verschiedenen Positionierungen der Ausblasung, auch deren Ausrichtung und die vorgegebenen Strömungsparameter variiert werden. Das Ziel ist die Erhöhung des axialen Impulses des Vorderkantenwirbels durch Luftausblasung entlang des Wirbelkerns, was den Wirbel stabilisiert. Die Auswirkungen der einzelnen Parameter auf die Wirbelstabilität werden sowohl anhand qualitativer Kriterien für die Wirbeltopologie als auch mittels eines quantitativen Stabilitätskriteriums bewertet. Es stellt sich heraus, dass eine Positionierung der Ausblasung möglichst weit stromauf am Flügel für eine optimale Einleitung des Ausblasestrahls in den Wirbelkern unerlässlich ist. Dort ist allerdings die maximale Größe der Ausblasefläche durch die Nähe zur Vorderkante stark eingeschränkt. Deshalb kann der nötige Massenstrom zur Wirbelstabilisierung nicht erreicht werden, ohne die Verschmelzung von Ausblasung und Wirbel zu beeinträchtigen. Wird die Ausblasung weiter stromab platziert, wird keine zufriedenstellende Einbringung des Ausblasefluids in den Wirbelkern erreicht. Die Ausblasung ist dort entweder zu stark und verdrängt somit den zu kontrollierenden Wirbel oder zu schwach und wird von diesem abgelenkt. Bei zunehmender Stärke der Ausblasung kann der Wirbel vollständig weggeblasen werden, woraufhin sich etwas stromab ein neuer Vorderkantenwirbel bildet. Entsteht dieser zusätzliche Wirbel an einer Vorderkante höherer Pfeilung, weist er deutlich verbesserte Stabilitätseigenschaften gegenüber dem ursprünglichen Wirbel auf. Deshalb kann dieser Effekt gezielt zur Wirbelstabilisierung eingesetzt werden, wenngleich das Ausblasefluid nicht, wie ursprünglich geplant, in den Wirbelkern eingeleitet wurde.