Numerische Untersuchung der Umströmung eines schiebenden Flügelmodells im Kryo-Rohrwindkanal Göttingen

Abstract

Ein anspruchsvolles, aber lohnendes Ziel zur Effizienzsteigerung von Flugzeugen ist die Verringerung des Reibungswiderstandes durch die Laminarhaltung der Flügelgrenzschicht. Ein Instabilitätsmechanismus, der die laminar-turbulente Transition auslösen kann, ist die sog. Querströmungsinstabilität, welche an schiebenden Flügeln auftreten kann. Als Vorbereitung auf experimentelle Transitionsuntersuchungen im Kryo-Rohrwindkanal Göttingen (KRG) analysiert diese Arbeit mittels numerischer Strömungssimulationen den Seitenwandeinfluss auf die Umströmung eines schiebenden Flügels. Die Zielsetzung ist es, eine Aussage darüber zu tätigen, ob bzw. in welchem Parameterbereich schiebende Experimente bei annähernd unendlich-schiebenden Bedingungen möglich sind. Im Rahmen einer Parameterstudie unter unendlich-schiebenden Bedingungen (2,5D) sind der Schiebe- und Anstellwinkel, die Mach-Zahl sowie die Profiltiefe als relevant hinsichtlich des Grenzschichtrandstromlinienverlaufs und damit des zu erwartenden Seitenwandeinflusses identifiziert worden. In einem vereinfachten Modell des Windkanals werden dreidimensionale Simulationen zur Analyse des Wandeffektes durchgeführt. Bei reibungsfreien Seitenwänden und einer Mach-Zahl von Ma = 0,65 ist eine gute Übereinstimmung mit nur geringen Abweichungen zwischen den 3D- und 2,5D-Druckverteilungen festzustellen. Für Ma = 0,78 und Schiebewinkeln größer als 15° bewirken die Wände eine veränderte Strömungscharakteristik zwischen 2,5D- und 3D-Modell. Die Analysen mit viskosen Seitenwänden zeigen, dass die gewählte Vereinfachung des Windkanals möglicherweise nicht zulässig ist. Qualitativ wird jedoch der Wandeinfluss durch die Seitenwandgrenzschicht verstärkt. Es kann festgestellt werden, dass Experimente im KRG mit Schiebewinkeln unter 15° durchführbar erscheinen. Für größere, in der Praxis relevantere, Winkel werden voraussichtlich Maßnahmen zur Dämpfung des Seitenwandeffekts benötigt.