Magazin. Strömungssimulationen & Bionik im Red Bull Air Race.

Transkript

1 Magazin Strömungssimulationen & Bionik im Red Bull Air Race

2 Red Bull Air Race Peter Besenyei Effizienz mit bionischen Oberflächen? Strömungssimulationen, die mehr erreichen als Trial and Error? Entwicklung einer Rennmaschine in weniger als 6 Monaten? Das Red Bull Air Race ist bekannt für die waghalsigen Flugmanöver, die hohe Geschwindigkeit und die außergewöhnliche Flugleistung der Piloten. Im Hintergrund der Show arbeiten Techniker und Entwickler an den Rennmaschinen, um diese so schnell wie möglich für die Rennen zu machen. In der Saison 2015 arbeitete bionic surface technologies intensiv mit dem Team des ungarischen Piloten Peter Besenyei zusammen. Peter Besenyei gilt als Erfinder des Red Bull Air Race, durch seine Teilnahme als Pilot, ist er natürlich daran interessiert, die maximale technische Leistung aus seinem Flugzeug herauszuholen. Durch die Zusammenarbeit mit bionic surface technologies konnte ein Projekt gestartet werden, das zum Ziel hatte, die schnellster und effizienteste Rennmaschine des Red Bull Air Race für Peter Besenyei zu entwickeln. Innerhalb von drei Monaten wurde das Flugzeug fertig entwickelt und konnte nach der Fertigung und unterschiedlichen Tests, auch schon erfolgreich eingesetzt werden. Zu Beginn des Projekts gab es eine bestehende Maschine (Corvus Racer 540) und ein zweites Modell (Zivko EDGE V3), die für die Optimierungen in Frage Für die Berechnungen wird ein 3D-Modell (Netz) des Flugzeugs erstellt. Links: Zivko EDGE V3, rechts: Corvus Racer 540. Original, Modell und CFD-Strömungssimulation. kam. Um eine Entscheidung treffen zu können, wurden beide Rennmaschinen mittels Strömungssimulationen analysiert. Besonderes Augenmerk lag dabei auf den unterschiedlichen Strömungsverläufen und durch die genauen Berechnungen kristallisierte sich die Zivko EDGE als aerodynamisch günstigeres Modell heraus. Mittels Strömungsanalysen wurden die gesamte Aerodynamik des Flugzeuges und auch uneinsichtige Strömungen sichtbar gemacht. Durch die Analyse wurden mehrere Flugzeugteile deutlich, an denen aerodynamische Optimierungen umgesetzt werden konnten. Ein Bereich des Flugzeuges, der grundlegend verändert wurde, war die Motorverkleidung. Die Kühleinlässe des Motors spielen hier eine entscheidende Rolle, da die Position und Größe der Kühleinlässe einen großen Einfluss auf die gesamte Aerodynamik des Flugzeuges haben. Mehrere aerodynamisch-günstige Varianten wurden entwickelt und dann nochmals in verschiedenen Betriebspunkten auf ihre aerodynamische Tauglichkeit geprüft. Die 2

3 beste Variante wurde ausgewählt und durch die Optimierungen konnte eine bessere Stromlinienform der Motorverkleidung erreicht werden. Ein anderer Bereich des Flugzeuges, der optimiert wurde, waren die Flügelspitzen oder auch Wingtips genannt. Die Flügelspitzen spielen eine außerordentlich wichtige Rolle in der Aerodynamik des Flugzeuges und wurden deshalb in diesem Fall speziell für die Anforderungen in einem Red Bull Air Race Rennen konzipiert. Je besser die Aerodynamik des Flugzeuges auf die äußeren Bedingungen abgestimmt ist, desto mehr Vorsprung kann der Pilot dann im Rennen herausholen und desto leichter handhabbar ist das Flugzeug. Herausfordernd für die Gestaltung der Flügelspitzen war die limitierte Länge der gesamten Flügel, da die Rennmaschine sonst Schwierigkeiten beim Passieren der Pylonen im Rennen bekommen Strömungsoptimierung der Flugzeugkomponenten +13% mehr Effizienz, weniger Treibstoffverbrauch, weniger CO 2 Optimierung des Motorsportflugzeugs Zivko EDGE V3 durch Simulierung verschiedener Geometrievarianten. Teure und in der Herstellung zeitaufwendige Prototypen werden somit nicht mehr benötigt. würde. Auch bei den Flügelspitzen wurden unterschiedliche Modelle erstellt, um verschiedene Varianten testen zu können und so wurde das ideale Modell für das Rennflugzeug ausgewählt. Das Cockpit der Rennmaschine wurde ähnlich wie die Flügelspitzen, extra für die Rennbedingungen optimiert und diese Optimierungen tragen gemeinsam mit den kleineren Optimierungen der Radschuhe des Flugzeuges zu einer Steigerung der Effizienz und Geschwindigkeit im Rennen bei. Zusätzlich wurden auch die Verbindungselemente zwischen der Fuselage und den Flügeln mittels CFD-Simulationen berechnet und verschiedene Varianten erstellt. Bei den Strömungssimulationen stellte sich jedoch heraus, dass die bereits bestehenden Verbindungselemente, die beste aerodynamische Performance haben, dementsprechend wurde dieser Bereich des Flugzeuges nicht verändert. Nach den Berechnungen und Analysen der einzelnen Flugzeugbestandteile wurde nochmalig das gesamte optimierte Rennflugzeug mittels Strömungssimulationen analysiert. Dabei wurde deutlich, dass eine Effizienzsteigerung von 13% im Vergleich zum bestehenden Design durch die verschiedenen Optimierungen ermöglicht wurde. Das war jedoch noch nicht das Ende der Optimierungen weitere 4% Effizienzsteigerung wurden durch die Verwendung von bionischen Oberflächen erzielt. Die mikro- und nanostrukturierten Oberflächen haben die Haifischhaut als Vorbild und sind genauso von Strukturen im Nanometerbereich durchzogen. Dadurch wird der Reibungswiderstand in Wasser und Luft reduziert und der Hai kann schneller 3

4 und effizienter schwimmen. Dieser Vorteil wurde bei der Konstruktion des Flugzeuges ausgenutzt, dadurch konnten die Effizienz und Geschwindigkeit gesteigert werden. Die Verwendung der sogenannten Riblets trägt zusätzlich zu einer Reduktion des Treibstoffbedarfs bei. Die Riblets wurden vor der Anbringung mithilfe einer Strömungssimulation analysiert. Dadurch konnten unterschiedliche Riblet-Strukturen angewendet werden. Auf diesem Weg konnte der Reibungswiderstand des Flugzeuges optimal reduziert werden. Die Rennmaschine wurde laut Plan gefertigt und anschließend mit Ribletstrukturen beklebt. Premiere feierte die Rennmaschine am 4. Juli 2015 in Budapest, wo der Pilot Peter Besenyei den ersten Wettkampf mit der aerooptimierten Maschine bestritt. Auf Anhieb konnte Peter Besenyei aus dem Hinterfeld auf den 6. Platz fliegen. Die optimierte Maschine hat sich im Praxistest bewährt, für den Piloten Peter Besenyei gilt es Anwendung der Ribletoberflächen jetzt den technischen Vorteil in Resultate umzusetzen. Aerodynamische Optimierungen gewinnen immer mehr an Popularität im Red Bull Air Race, da die Einheitsmotoren und auch die einheitlichen Propeller nicht viel Spielraum für Optimierungen bieten. Besonders die Flügelspitzen erregen zur Zeit viel Aufmerksamkeit im Red Bull Air Race und finden Anwendung bei einer großen Zahl an Piloten. Zwei Arten von Luftwiderstand verlangsamen das Flugzeug während dem Fliegen: Profilwiderstand und induzierter Widerstand. Der Profilwiderstand wird durch die Form des Flugzeuges und die Struktur der Oberfläche erzeugt. Je schneller das Flugzeug sich bewegt, desto größer wird der Profilwiderstand. Der induzierte Widerstand entsteht durch die Position des Flugzeuges in der Luft, um den Auftrieb zu erhalten und nimmt bei steigender Geschwindigkeit ab. Winglets reduzieren die Höhe des induzierten Widerstandes und machen das Flugzeug dadurch schneller, da der Luftstrom geglättet wird. Das Flugzeug lässt sich dadurch schneller wenden und im Wettkampf bringt das dem Piloten wertvolle Hundertstelsekunden. +4% mehr Effizienz, weniger Treibstoffverbrauch, weniger CO 2 Im Red Bull Air Race werden Winglets und Wingtips (oder auch Flügelspitze) eingesetzt. Wingtips sind eine Verlängerung der Flügelspitze, die relativ flach ist und kaum eine vertikale Struktur hat. Winglets sind im Gegensatz dazu ähnlich wie ein Spoiler, der Fertigung der aero-optimierten Zivko EDGE V3 Red Bull berichtet nach dem diesjährigen Rennen in Spielberg über Winglet-Wars at Spielberg 4

5 Peter Besenyei mit der strömungsoptimierten und mit Riblet-Oberflächen ausgestatteten Zivko EDGE V3 beim Red Bull Air Race in Texas. in einem anderen Winkel zum Flügel steht. Durch die aerodynamischen Optimierungen konnte die Rennmaschine von Peter Besenyei ideal designt werden und das Ziel die schnellste Rennmaschine des Red Bull Air Race zu entwickeln, wurde durch unterschiedliche Tests bestätigt und damit erreicht. bionic surface technologies konnte die Ergebnisse dieses Projekts auch optimal verwerten. Das gewonnene Know-how findet durch Folgeprojekte in der Windkraft seit dem Sommer 2015 seine Anwendung. Verschiedenste Aufträge zur Förderung der Effizienz von Windkraftwerken und Forschungsprojekte zur Anwendung der bionischen Oberflächen sind die Resultate des Projektes. Diese Projekte sind Beweis für die große Relevanz von technologischen Entwicklungen für high-end Produkte im Bereich wie Motorsport oder Raumfahrt, da sie den Weg dieser Technologie in den Alltag ebnen. Anwendungsbeispiele der Riblet-Oberflächen: Windkraft und Luftfahrt Impressum bionic surface technologies GmbH Brockmanngasse Graz Austria phone mail web Copyright: bionic surface technologies GmbH Fotos: bionic surface technologies GmbH, Red Bull Media House 5

6 Bionische Oberflächen Shark Skin bzw. Ribletoberflächen mikro- und nanostrukturierte Rillen Reduktion der Reibung in turbulenter Grenzschicht bis zu 8% Strömungssimulationen Papier & Zellstoff Partikelsimulation Wärmeübertragungssimulation Aerodesign Fahrzeugtechnik Maschinen- und Anlagenbau Minimierung von Aufwand für Prototypen Visualisierung von nicht einsehbaren Strömungsgrößen Beschleunigte Ergebnisgenerierung 6

7 Neue Möglichkeiten sehen. Bionische Oberflächen Riblets im Motorsport Riblets im Sport Riblets in industriellen Anlagen Riblets in Transportsystemen Riblets in der Windkraft Strömungssimulationen Sport Luft- und Raumfahrt Papier & Zellstoff Fahrzeugtechnik Maschinen- und Anlagenbau Gebäudetechnik Akustik Über uns bionic surface technologies ist ein technisches Büro für Strömungsdynamik mit Firmensitz in Graz, Österreich. Das 2009 gegründete, innovative Unternehmen ist auf numerische Strömungssimulationen spezialisiert. Durch die Bearbeitung einer Vielzahl von Projekten im In- und Ausland konnte das Team von bionic surface technologies seine Expertise unter Beweis stellen. Verschiedenste Anwendungen können mittels Strömungssimulationen genau berechnet und auf ihre Effizienz analysiert werden. Diese high-end Strömungssimulationen von bionic surface technologies finden auch Anwendung bei der eigenen Produktentwicklung aus der Bionik. Die sogenannten Ribletoberflächen (Shark Skin) reduzieren den Reibungswiderstand in der turbulenten Grenzschicht um 8%. Diese mikro- und nanostrukturierte Oberflächen führen in ihrer vielseitigen Anwendung zu Geschwindigkeitserhöhungen, Effizienzsteigerungen und somit Kosteneinsparungen. 7