Deltaflügel-Aerodynamik

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Franz Winter
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1 Deltaflügel-Aerodynamik Übersicht Grundlagen: Pfeilung, Auftriebsverhalten Bildung des Vorderkantenwirbels Wirbelaufplatzen Sekundärwirbelbildung und Grenzschicht Instationäre Effekte Praktikum Aerodynamik 1

2 Gepfeilter Tragflügel / Deltaflügel Schnellflugbereich (M > 0.8) Widerstand C WP ΔC WP φ U φ U N = U cos φ M N = M cos φ ΔM M Manöverflugbereich (M < 0.5) C A C Amax Auftriebspolare Maximalauftrieb Maximalanstellwinkel 0 dc A /dα α max Praktikum Aerodynamik 2 0 α

04 0.02 ΔM 0 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 M Manöverflugbereich (M < 0.

3 Konfigurationen hochmanövrierfähiger Flugzeuge MIG-29 F-16XL F-22 F-15 EF-2000 UCAV* ) Deltaflügel Δ Große Pfeilung φ 45 Kleine Streckung Λ = b 2 /F < 3.5 U φ F b Strake F-18 * ) Unmanned Combat Aerial Vehicle Praktikum Aerodynamik 3

4 Warum werden Deltaflügel verwendet? Besondere Strömungsform Praktikum Aerodynamik 4

5 Vorderkantenwirbelsystem x y U Anlegelinie Primärwirbel x z y w α U Primärwirbel z y Sekundärwirbel w Rotationskern p - p < 0 C P Saugspitze Wirbelinduzierte Geschwindigkeiten Druckverteilung p - p > 0 y dp/dy > 0 Rauchaufnahme Praktikum Aerodynamik 5

0 C P Saugspitze Wirbelinduzierte Geschwindigkeiten

6 Wesentliche Einflussgrößen Parameter Anströmung Anstellwinkel α c r φ w U α Grenzschicht (laminar / turbulent) Geometrie b r N Pfeilungswinkel φ (Grundriss) tan b c r 2 Nasenradius r N (Profil) Praktikum Aerodynamik 6

turbulent) Geometrie b r N Pfeilungswinkel φ

7 Anstellwinkeleinfluss = 35.0 C A C Amax Nichtlinearer Auftriebsanstieg Wirbelaufplatzen max = 30.0 = Voll entwickelte Vorderkantenwirbel = α [ ] Praktikum Aerodynamik 7

8 Strukturveränderung Wirbelaufplatzen F-18: α 25 Wirbelaufplatzen x y φ U 16 C P 12 φ = 76 α 30 Aufplatzort dp/dx > 0 dp/dx > 0 Aufgeplatzter Wirbel α x/c r dp/dx > Flügelhinterkante Praktikum Aerodynamik 8

dp/dx > 0 dp/dx > 0 Aufgeplatzter Wirbel 8 4 0 0 α 20 0.2 0.

9 Charakteristiken des voll ausgebildeten Vorderkantenwirbels: nichtlinearer Auftriebsanstieg wirbelinduzierter Zusatzauftrieb hoher Maximalauftrieb und Maximalanstellwinkel hohe Umfangsgeschwindigkeiten: hohe axiale Übergeschwindigkeiten im Wirbelkern: hohe statische Unterdrücke im Wirbelkern niedriger Totaldruck im Bereich der Wirbelachse Charakteristiken des aufgeplatzten Vorderkantenwirbels: stromab der Aufplatzstelle: - abrupte Zunahme des Wirbelkernquerschnitts - Verringerung der Umfangsgeschwindigkeiten - hohe Turbulenz im Wirbelkernbereich; hohe Dissipation - Totaldruckverlust Einfluss auf aerodynamische Beiwerte: Verlust an Auftrieb: C A ; Abfall des kopflastigen Nickmoments: ; C M v 2 w 2 / U u / 2 5 U 1 2 Praktikum Aerodynamik 9

aufgeplatzten Vorderkantenwirbels: stromab der Aufplatzstelle: - abrupte Zunahme des Wirbelkernquerschnitts - Verringerung der Umfangsgeschwindigkeiten - hohe Turbulenz im

10 Grenzschichteinfluss Sekundärwirbel U α = 28 Ablöselinie des Sekundärwirbels x y Laminarer Bereich C P Saugspitze Sekundärwirbel Übergang y Turbulenter Bereich C P y C P y Wandstromlinien (Ölanstrichbild) Druckverteilung Praktikum Aerodynamik 10

Sekundärwirbel Übergang y Turbulenter Bereich C P y C P y

11 Grenzschichteinfluss Sekundärwirbel Praktikum Aerodynamik 11

12 Auftriebsabhängigkeit C A (α) Flügel großer Streckung / Mäßige Vorderkantenpfeilung Flügel kleiner Streckung / Große Vorderkantenpfeilung Abgelöste Strömung Praktikum Aerodynamik 12

13 Auftriebsabhängigkeit C A (α) Flügel großer Streckung / Mäßige Vorderkantenpfeilung Flügel kleiner Streckung / Große Vorderkantenpfeilung Abgelöste Strömung Lineare Abhängigkeit C A (α): C A CA0 CA ; CA dca d Nichtlineare Abhängigkeit C A (α): C A 2 2 f (, CA ) Praktikum Aerodynamik 13

Vorderkantenpfeilung Abgelöste Strömung Lineare Abhängigkeit C A (α): C

14 Maximalwerte C Amax φ 1.1 C A C Amax 1.0 Dünne Flügel; scharfe Vorderkante α max α α max [ ] φ [ ] Praktikum Aerodynamik 14

15 Welche Phänomene setzen Grenzen? Instationarität (u.a.) Nicht kontrollierbarer Flugzustand Dynamische Strukturbelastung Praktikum Aerodynamik 15

Instationarität u 2 U 0.02 0.10 0.20 0.28 Turbulenzintensität = 35.0 C A 1.2 1 0.8 C Amax Nichtlinearer Auftriebsanstieg = 30.0 0.6 Wirbelaufplatzen = 25.

16 Instationarität u 2 U Turbulenzintensität = 35.0 C A C Amax Nichtlinearer Auftriebsanstieg = Wirbelaufplatzen = Voll entwickelte Vorderkantenwirbel max = α [ ] Praktikum Aerodynamik 16

8 C Amax Nichtlinearer Auftriebsanstieg = 30.0 0.

17 c n l /(C N l m ) Versuch 5 Auswertung Pfeilflügel 1) c p = f(x/l(y)); Vielfachmanometer -c p 2) c p = f(y/s) -c p x 1 = 250 mm x 2 = 325 mm x 3 = 400 mm Verlauf der Wirbelachse? 1 x/l(y) y/s 3) c* n = f(y/s); Örtlicher Normalkraftbeiwert aus Integration von Δc p (1) 4) c n l/(c N l m ) = f(y/s); C N : Gesamtnormalkraftbeiwert c* n y/s y/s Praktikum Aerodynamik 17

1 x/l(y) y/s 3) c* n = f(y/s); Örtlicher Normalkraftbeiwert aus Integration von Δc p (1) 4)

18 Versuch 5 - Auswertung C A C A sin cos 2 cos tan C sin CA 4 cos 2 A 2 cos tan 4 4 C A 4 tan 1 k 1 1 tan 2 k = 1 Beispiel: φ = 65 5) a) Ermittlung der Auftriebspolare auf Basis der Theorie bis α = 30 b) Vergleich mit dem Ergebnis des Windkanalversuchs Wirbelinduzierter Zusatzauftrieb Praktikum Aerodynamik 18

Auftriebspolare auf Basis der Theorie bis α = 30 b) Vergleich mit dem

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