Magazin' ' Strömungssimulationen'und'Riblets'im'Flugmotorsport'

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1 !!!!!! Magazin' ' Strömungssimulationen'und'Riblets'im'Flugmotorsport'

2 2 Mit Riblets zum Sieg! Im Flugmotorsport zählen mikrostrukturierte Oberflächen und strömungstechnische Optimierungen zu den innovativsten Methoden um den Zeitvorsprung auf die Konkurrenten wirksam auszubauen. Im Red Bull Air Race und im Reno Air Race kommen diese Methoden schon erfolgreich zum Einsatz. Erfahren Sie mehr davon! Das wird interessant. Jetzt haben wir punkto Motorleistung alle den gleichen Level. Also werden die aerodynamischen Stärken oder Schwächen sowie das Gewicht des Flugzeugs eine größere Rolle spielen. Paul Bonhomme, Red Bull Air Race-Weltmeister 2009, 2010 Seit fast zehn Jahren begeistert die Red Bull Air Race Weltmeisterschaft tausende Fans rund um den Erdball. Das Red Bull Air Race ist weltweit bekannt für seine sensationellen und atemberaubende Rennen. Die hohe Geschwindigkeit, die geringe Flughöhe und die extreme Manövrierbarkeit machen jedes Rennen zu einem Spektakel. Doch Jahr für Jahr wird nicht nur die Rennstrecke schwieriger, auch der technische Wettkampf rückt immer mehr in den Vordergrund. Für die Saison 2014 wurde das Reglement grundlegend verändert. Nur standardisierte Motoren und Propeller dürfen eingesetzt werden. Dadurch steht die Performance des Piloten, die Aerodynamik des Flugzeuges und im weiteren Sinne die Verbesserung der aerodynamischen Effizienz im Kampf um Hundertstelsekunden im Vordergrund. Ein Pilot, der schon sehr von den aerodynamischen Entwicklungen aus dem Hause bionic surface technologies GmbH (BST) profitiert hat, ist der Österreicher Hannes Arch. Er ist einer der ehrgeizigsten Piloten im Red Bull Air Race und sein furchtloser Rennstil hat ihn bereits zu einem Dauergast auf dem Podest in der Rennserie gemacht. Gemeinsam mit seinen Technikern ist Hannes Arch immer daran interessiert seine Performance und die seiner Zivko Edge 540 V3 zu verbessern. BST leistet mit aerodynamischen Entwicklungen einen großen Beitrag dazu.

3 3 In der Vergangenheit haben wir uns auf das Modifizieren der Motoren konzentriert, durch die neuen Regeln ist es nun die Aerodynamik. Hannes Arch, Red Bull Airrace Weltmeister 2008 Durch die Strömungssimulationen von BST wird deutlich, welche Bereiche des Flugzeuges aerodynamisch optimiert werden können. Zusätzlich kommen bei Hannes Rennmaschine die von BST entwickelten mikrostrukturierte Oberflächen, sogenannte Riblets, zum Einsatz. Riblets sind der mikrostrukturierten Haut eines Haifisches nachempfunden und sind ganz spezielle Oberflächen. Die sehr feinen Strukturen ermöglichen es Haien seit Jahrmillionen sehr effizient zu schwimmen. Bei technischen Anwendungen, wie der Windkraft, industriellen Prozessen, der Luft- oder Schifffahrt erzielt BST mit exakt berechneten Ribletgeometrien eine Reibungsverminderung in Strömungen. Dies bedeutet in verschiedenen Bereichen hohe Energieeffizienzsteigerungen. Auf Flugzeugen reduzieren Riblets den Reibungswiderstand und dadurch kann schneller und effizienter geflogen werden. Vor allem in den knappen Zeitabständen des Red Bull Air Race ist jeder Geschwindigkeitszuwachs enorm wichtig! Neben den Ribletoberflächen wird in der Partnerschaft mit Hannes Arch auch die Entwicklung der Aerodynamik des Flugzeuges weitergeführt. Damit ist gewährleistet, dass aerodynamisch genau auf die Anforderungen des Red Bull Air Races eingegangen wird. Die bestmögliche aerodynamische Entwicklung wurde durch die analytische Herangehensweise mit passenden CFD Simulationsprogrammen erzielt. Hochentwickelte Simulationstechniken und eigene Algorithmen sind für eine effiziente Optimierung der Einzelbauteile notwendig. Zeitintensive und kostspielige Windkanaltests sind dadurch nicht erforderlich und auch schon kleine Veränderungen im Design können in kurzer Zeit auf ihre Wirksamkeit getestet werden. Die Strömungssimulationen stellen auch weitere, für das Rennen relevante Parameter zur Verfügung. So kann z.b. die zusätzlich zu erwartende Leistung durch einzelne Bauteiloptimierungen vorherbestimmt werden. Die Optimierung der Wingtips wurde durch Simulation von verschiedenen geometrischen Varianten ausgetestet. Nach mehreren Berechnungen konnten zwei Varianten mit unterschiedlichen Charakteristika freigegeben werden. Bei der ersten Variante wurde die Spitze des Flügels höher hinaufgezogen und insgesamt um 5 cm verlängert. Diese minimale Veränderung führt zu einer Vergrößerung des Auftriebes um 2,94% und einer Reduktion des Reibungswiderstandes um 0,31%. Die Effizienz lässt sich aus dem Auftrieb geteilt durch den Reibungswiderstand berechnen. In diesem Fall beträgt die Effizienzsteigerung 3,26%. Im Vergleich dazu hat die zweite Variante eine

4 4 Ich denke, wir sind oft die Schnellsten, weil wir genau wissen, wo wir wie fliegen müssen und wo wir ein paar Zehntelsekunden einsparen können. Hannes Arch Effizienzsteigerung von 8,38%. Hier erfolgte eine Verlängerung der Flügelspitze um 10 cm und das Ende wurde senkrecht nach oben gezogen. Für diese beiden Modelle wurden auch verschiedene Anstellwinkel (Angle of attack) getestet und Winkel für verschiedene Flugsituationen simuliert. Das zweite Großprojekt war die aerodynamische Optimierung der Motorabdeckung, auch cowling genannt. Sie dient der Effizienz der Luftkühlung des Motors und des Ölkühlers. Für die äußere Verkleidung des vorderen Bereichs der Zivko Edge 540 V3 wurden mehrere Modelle erstellt. Die Kühlung des Motors erfolgt durch zwei Öffnungen an der Vorderseite. Nach einer Analyse des aktuellen Zustandes wurden, um den gesamten Luftstrom zu erfassen, auch die Luftströme im Motorinnenraum berücksichtigt. Hier erfolgt, ähnlich wie in der Fahrzeugentwicklung, eine vollständige Simulation der Motorinnendurchströmung bei verschiedenen Betriebspunkten. Gemeinsam mit KTM technologies aus Salzburg wurde der gesamte Motorinnenraum gescannt um ein dreidimensionales Modell zu erhalten. Damit war es möglich die Innenströmungen im Motorraum exakt zu simulieren. Dank der hochaufgelösten Luftströme konnte der gesamte Luftfluss optimiert werden und damit auch die Gesamtaerodynamik des Flugzeuges. Die Umgestaltung der Verkleidung konnte anschließend an verschiedenen Modellen aerodynamisch getestet werden. Beim effizienteste Modell reduzierte sich der Reibungswiderstand um 1,65% und die Effizienz steigert sich um 1,44%. Außerdem erfolgt eine Reduzierung des Kühlluftstroms um 30% bei gleichbleibender Kühlleistung. Die Größe der Kühlöffnungen kann bei Rennbedingungen zu Gunsten von mehr Effizienz verkleinert werden, da die Dauer des Rennens nur sehr gering ist. Neue Motoreinlagen und Leitbleche für den Luftstrom bringen zusätzlich eine Verbesserung der Motorinnnenraumdurchströmung und auch der Gesamtperformance des Flugzeuges. Die aerodynamische Fahrwerkoptimierung stellte das letzte Projekt dar. Diese Optimierung beinhaltete vor allem die Verbesserung der Radschuhe. Einige Komponenten des vorigen Modelles wurden behalten, während sich die äußere Erscheinungsform doch änderte. Das neue Modell ist stromlinienförmiger, es entstehen weniger Turbulenzen und damit sind die entstehenden Wirbel im Nachlauf kleiner. Die neuen Radschuhe bewirken eine Reduktion des Reibungswiderstandes von über 10% und tragen dadurch auch zur Performancesteigerung bei.

5 5 Nicht nur die strömungsmechanischen Berechnungen sondern auch die mikrostrukturierten Oberflächen geben Hannes Arch einen entscheidenden Vorteil zum Sieg. Allein die Riblets tragen schon zu einer Reduzierung des Reibungswiderstandes bis zu 8% bei und gemeinsam mit den aerodynamischen Veränderungen kommt es zu einer signifikanten Performancesteigerung. Auch in den Ergebnissen von Hannes Arch in der Saison 2014 ist dieser große Vorteil der Aerodynamik ersichtlich. Sehr oft war er seinen Konkurrenten nur wenige Hundertstelsekunden voraus, sehr häufig stand er am Podest und schlussendlich darf sich Hannes Arch Vizeweltmeister 2014 nennen. Auch in Zukunft darf erwartet werden, dass Hannes Arch u.a. durch die Unterstützung von bionic surface technologies seinen Konkurrenten den entscheidenden Zeitvorsprung voraus sein wird. Reno Air Race Weltweit bekannt und von großem Publikum besucht ist der Reno Air Race. Das in Nevada, USA stattfindende Flugzeugrennen zieht jedes Jahr Flugzeugbegeisterte an und jedes Jahr kämpfen die Rennpiloten um einen Sieg bei diesem legendären Rennen. Seit 2010 ist bionic surface technologies jedes Jahr vor Ort dabei, um den Schweizer Piloten Vito Wyprächtiger zu unterstützen. Schon lange vor dem Rennen beginnen die Vorbereitungen im Swiss Air Racing Team, denn um gewinnen zu können, muss das Flugzeug laufend optimiert werden. Die Ingenieure von BST berechnen das strömungstechnisch optimalste Modell mittels CFD-Simulation. Durch die Analyse der unterschiedlichen Strömungen können Turbulenzen vermieden und der ideale Strömungsfluss gewährleistet werden. Außerdem werden durch die Analysen die mit Riblets beklebbaren Flächen identifiziert und für die spätere Beklebung aufbereitet. Durch die Modifikationen am Flugzeug können 3% Effizienzsteigerung erreicht werden. Dadurch kann der Pilot im Rennen schneller fliegen und seinen Konkurrenten um einige Sekunden voraus zu sein. Die Verwendung von Riblets bringt zusätzlich noch einen signifikanten Zeitvorsprung. In den vergangenen Jahren konnten dank der aerodynamischen Optimierungen in jedem Rennen Top-Platzierungen erreicht werden. Einen Höhepunkt durfte Vito Wyprächtiger und sein Team im Jahr 2013 erleben, wo er als erster Europäer die Klasse Formula One gewann. Auch in Zukunft kann Vito Wyprächtiger mit der Unterstützung von bionic surface technologies rechnen und damit hoffentlich im Jahr 2015 zum nächsten Sieg fliegen! Impressum bionic surface technologies GmbH Brockmanngasse Graz AUSTRIA - Phone The content and all parts of this document are protected by copyright. Copyright by bionic surface technologies GmbH

6 6 Nicht nur im Flugmotorsport sind Strömungssimulationen und Ribletoberflächen von bionic surface technologies gefragt. Gesamtfahrzeugsimulation Die Strömungsdynamik eines Fahrzeuges hat einen großen Einfluss auf Akustik, Fahrkomfort und Effizienz. Außerdem kann durch Strömungssimulationen die Sicherheit gesteigert werden. Schnelle und anschauliche CFD-Simulationen von einem gesamten Fahrzeug helfen, den großen Kontext der Strömungen zu analysieren und besser verstehen zu können. Forschung Wir verstehen uns nicht als reine CFD-Anwender, sondern arbeiten aktiv an der Weiterentwicklung und Verbesserung unseres strömungstechnischen Know-Hows. Dazu entwickeln wir mit Kooperationspartnern aus Forschung und Industrie neue, noch effizientere Wege, um Strömungssimulationen zu bewerkstelligen. Kontaktieren Sie uns einfach bei Interesse an unseren laufenden Forschungsprojekten! Mikrofluidik Nicht nur bei großen Anwendungen spielen Strömungssimulationen eine wichtige Rolle, auch im Mikround Nanometerbereich kommen Strömungssimulationen zum Einsatz. Die gleichmäßige Verteilung von Molekülen auf Oberflächen ist ein ganz neues Gebiet, wo CFD-Berechnungen zum Einsatz kommen. Diese Moleküle strömen über die Oberfläche und jedes Molekül sollte eine möglichst gleiche Verweildauer haben. Durch CFD-Simulationen und die nachfolgenden geometrischen Veränderungen kann eine optimale Verteilung gewährleistet werden. Flugzeugdesign CFD-Simulationen unterstützen Sie im Flugzeugdesign. Wenn es um äußeres Design und aerodynamische Veränderungen oder um die bestmögliche Belüftung des Innenraums geht, sind wir Ihr Partner im Flugzeugdesign. Als Dienstleister liefern wir schnelle und zuverlässige Ergebnisse und unterstützen Sie optimal in ihrer Produktentwicklung. Akustik Die Entstehung von Lärm zu analysieren und in Folge dessen Lärm auch zu vermeiden, ist ein großes Anwendungsgebiet der Strömungssimulation. CFD-Berechnungen spielen in der Aeroakustik eine bedeutende und zentrale Rolle. In den verschiedensten Bereichen kann Lärm untersucht werden und bei vielen Anwendungen eine Optimierung des Geräuschpegels erwirkt werden. Unter anderem wurde bereits der akustische Einfluss eines Seitenspiegels auf den Innenraum, die Optimierung einer Rasenmäherschneidegeometrie und die Optimierung von Windradakustik erfolgreich durchgeführt.