Untersuchung eines γ-basierten Transitionstransportmodells des DLR: Einfluss der Strömungsbedingungen und deren Wechselwirkungen

Abstract

Der EU Green Deal setzt klare Ziele zur Reduzierung der CO2-Emissionen, insbesondere im Luftverkehrssektor. Um diese Ziele zu erreichen und den Luftverkehr nachhaltiger zu gestalten, ist die Entwicklung effizienterer Flugzeugtechnologien unerlässlich. Eine zentrale Herausforderung liegt dabei in der Optimierung der Flügelkonstruktion. Eine Möglichkeit, den Luftwiderstand und damit den Treibstoffverbrauch zu senken, besteht darin, den Anteil laminarer Strömung am Flügel zu maximieren. Laminarer Fluss ist durch eine glatte und kontinuierliche Bewegung ohne Verwirbelungen gekennzeichnet. Bei Flugzeugen geht diese laminare Strömung ab einem bestimmten Punkt des Flügels in eine turbulente Strömung über, die durch chaotische Verwirbelungen geprägt ist. Die Position dieses laminar-turbulenten Strömungsübergangs, auch Transition genannt, hat einen erheblichen Einfluss auf den Reibungswiderstand des Flügels. Eine möglichst weit nach hinten verlagerte Transition kann den Reibungswiderstand erheblich reduzieren und somit zur Energieeffizienz des Flugzeugs beitragen. Um die Strömung um ein Flügelprofil zu analysieren, können experimentelle oder numerische Methoden verwendet werden. Experimente im Windkanal oder experimentelle Flüge sind sehr teuer und benötigen viele Ressourcen. Eine kostengünstige und effiziente Alternative bietet die numerische Strömungsmechanik (englisch: Computational Fluid Dynamics; Abkürzung: CFD), in der Strömungen numerisch simuliert werden. Für die Simulation der Transition sind in der CFD Transitionsmodelle notwendig. Das γ(DLR)-Modell, entwickelt vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (Abkürzung: DLR), repräsentiert eines dieser Modelle und dient zur Vorhersage der laminarturbulenten Transition in Strömungen um Flügelprofile. Es basiert auf der Analyse der Stabilität der laminaren Grenzschicht und der Interaktion mit den freien Strömungswirbeln. In diesem Modell besteht die Möglichkeit, die Strömungsbedingungen anzupassen, was zu einer Reihe von verschiedenen Lösungen und Interaktionen führen kann. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Parameter des Modells für einen Testfall, dem NACA 642-A-215 Flügelprofil, in RANS-Simulationen modifiziert und auf zwei Diskretisierungsnetze angewendet, die entweder Fernfeldränder oder Windkanalränder aufweisen, um so das Verhalten des Modells zu analysieren und die beiden Netze miteinander zu vergleichen.