Verbesserung der Langsamflugeigenschaften des Doppeldeckers FK-12 Comet mit Hilfe von Strömungssimulationen

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1 Verbesserung der Langsamflugeigenschaften des Doppeldeckers FK-12 Comet mit Hilfe von Strömungssimulationen Tim Federer, Peter Funk, Michael Schreiner, Christoph Würsch, Ramon Zoller Institut für Computational Engineering ICE, NTB Buchs FK-Leichtflugzeuge, Speyer Institut für Computational Engineering ICE 1

2 FK-12 Comet Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren Konstruktion 1997 Ultraleichtflugzeug 100 PS Maximales Abfluggewicht: 450 kg Die Zulassung erfordert, dass das Flugzeug mit 65 km/h fliegen kann. Dies beschränkt bei der FK-12 die maximale Abflugmasse auf 450 kg. Institut für Computational Engineering ICE 2

3 Auftrieb Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren Auftrieb: c L F L = ρ 2 Ac Lv 2 Der Auftriebskoeffizient hängt vom Anstellwinkel ab. AOA Institut für Computational Engineering ICE 3

4 Auftrieb Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren Auftrieb: F L = ρ 2 Ac Lv 2 Der Auftriebskoeffizient hängt vom Anstellwinkel ab. c L Strömungsabriss AOA Institut für Computational Engineering ICE 4

5 Ziele Auftrieb bei hohen Anstellwinkeln erhöhen Simulation im Übergangsbereich laminar/turbulent, also Transition-Modell notwendig. Maßnahmen zur Auftriebserhöhung: Anpassung der Landeklappen zu Spaltklappen (bei der S2 realisiert) Vortexgeneratoren (kann bei der S1 nachträglich umgesetzt werden) Institut für Computational Engineering ICE 5

6 Gliederung Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren 1 Einleitung 2 Von der überströmten Platte zum γ-re θt Modell 3 Neues Klappendesign 4 Einsatz von Vortexgeneratoren Institut für Computational Engineering ICE 6

7 Gliederung Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren 1 Einleitung 2 Von der überströmten Platte zum γ-re θt Modell 3 Neues Klappendesign 4 Einsatz von Vortexgeneratoren Institut für Computational Engineering ICE 7

8 Natural Transition Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren Turbulence Intermittency γ = 0 : laminar γ = 1 : turbulent 0 < γ < 1 : Transition Beginn des Umschlags Re x Strömung turbulent γ = 0 0 < γ < 1 γ = 1 Re x Institut für Computational Engineering ICE 8

9 Beschreibung der Randschicht-Dicke 99% Dicke δ 0.99 : Dicke ist definiert, wo u = 0.99U Verdrängungsdicke δ: ( δ = 1 u(y) ) dy U 0 Impulsverlustdicke θ: θ = 0 u(y) U ( 1 u(y) ) U dy Ähnlichkeitsmaß über Momentum Thickness Reynolds Number: Re θ = θu ν Institut für Computational Engineering ICE 9

10 Re θ Beginn der Transition, falls Re θ > Re θt. Re θt Re x = Re x Transition Onset Reynolds Number Re θt 250 (bei überströmter Platte) Institut für Computational Engineering ICE 10

11 CFD Implementierung mit RANS Es müssen sowohl laminare als auch turbulente Randschichten möglich sein. Also y + 1. Intermittency ist neue Variable γ (γ = 0: laminar, γ = 1: turbulent). γ dient als Turbulenz Quelle für die Turbulenz Energie. Turbulenz-Beginn definiert durch Re θt. Im Allgemeinen ist Re θt nicht konstant, sondern hängt ab von free stream Geschwindigkeit, Druckgradient, etc. Also muss Re θt eine neue Variable werden, die Informationen von der Umgebung zum Rand transportiert. Transition Modell: Gleichungen für γ und Re θt. Institut für Computational Engineering ICE 11

12 CFD Implementierung mit RANS (2) Bedingung für Turbulenz-Erzeugung ist Re θ > Re θt. Aber Re θ ist nicht berechenbar. Abhilfe: Vorticity Reynolds number: Re v = ρy 2 µ u y = ρy 2 µ ω (y ist der Wandabstand). In der laminaren Grenzschicht gilt Re θ = max Re v Turbulenz Erzeugung (Quelle in der Gleichung für γ) Re v > 2.193Re θt Institut für Computational Engineering ICE 12

13 Turbulence Intermittency, AOA = 5, 10 Institut für Computational Engineering ICE 13

14 Turbulence Intensity, AOA = 5, 10 Institut für Computational Engineering ICE 14

15 Gliederung Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren 1 Einleitung 2 Von der überströmten Platte zum γ-re θt Modell 3 Neues Klappendesign 4 Einsatz von Vortexgeneratoren Institut für Computational Engineering ICE 15

16 Werbung... Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren Informationen gibt es an den Ständen der Hochschulen... Institut für Computational Engineering ICE 16

17 Einleitung γ-reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Neues Klappendesign FK 12 Comet S1 FK 12 Comet S2 450 kg kg Institut für Computational Engineering ICE 17

18 Velocity u, Vergleich S1 und S2 Institut für Computational Engineering ICE 18

19 Turbulence Intermittency, Vergleich S1 und S2 Institut für Computational Engineering ICE 19

20 Auftriebspolare, Vergleich S1 und S2 Institut für Computational Engineering ICE 20

21 Gliederung Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren 1 Einleitung 2 Von der überströmten Platte zum γ-re θt Modell 3 Neues Klappendesign 4 Einsatz von Vortexgeneratoren Institut für Computational Engineering ICE 21

22 Einleitung γ-reθt Klappendesign Vortexgeneratoren Vortexgeneratoren Die Randschicht wird turbulent. Dadurch wird Impuls aus den oberen Schichten zur Wand transportiert. Die Randschicht wird stabiler. Die Strömung reißt später ab. Institut für Computational Engineering ICE 22

23 Validierung, u Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren Experiment Simulation Institut für Computational Engineering ICE 23

24 Randschicht, u, Experiment und Simulation Institut für Computational Engineering ICE 24

25 Geschwindigkeit u, ohne und mit VG, 12 mm Institut für Computational Engineering ICE 25

26 Turbulenz Energie, ohne und mit VG Institut für Computational Engineering ICE 26

27 Geschwindigkeit u, VG mit 12 mm und 24 mm Institut für Computational Engineering ICE 27

28 Auftriebspolare im Vergleich (Abstand 30mm) Genügend Auftrieb bei hohem AOA Bei kleinem AOA ähnliche Charakteristik VG mit 24 mm haben mit 30 mm einen zu kleinen Abstand Institut für Computational Engineering ICE 28

29 Fazit γ-re θt funktioniert wie erwartet. Umschlag laminar/turbulent wird gut abgebildet. Wirkung der Spaltklappen gut vorhergesagt. Einfluss der Vortexgeneratoren werden gut simuliert. Parameterstudie zu Höhen und Abständen liefert Hinweise zu optimaler Größe, Position und Abständen. Institut für Computational Engineering ICE 29

30 Quellen und Referenzen Einleitung γ-re θt Klappendesign Vortexgeneratoren Bild p. 2: Jens Wiemann Bild p.4: Wikipedia, Jaganath Bild p. 8: White: Viscous Fluid Flow, McGraw Hill, 1991 Bild p. 9: Kuhlmann, Strömungsmechanik, Pearson, 2007 Bilder p. 17: Xavier Cotton und Gregor Behling Bild p. 22: Viktor Strausak Messungen Vortexgeneratoren: Clara Marika Velte. Characterization of Vortex Generator Induced Flow. Technical report, Technical University of Denmark, Institut für Computational Engineering ICE 30

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