Teilprojekte (TP1 - TP7), ETW Messprojekt

Die schallnahe Umströmung transsonischer Tragflügel ist durch das Auftreten eines lokalen Überschallgebietes charakterisiert, das durch einen Verdichtungsstoß abgeschlossen wird, dessen Stärke mit der Anströmmachzahl und dem Anstellwinkel zunimmt. Ab einer hinreichenden Stärke induziert der Stoß eine Ablösung, die bei bestimmten Flugbedingungen infolge der Interaktion zwischen der abgelösten Strömung und dem Stoß zu selbsterregten, periodischen Stoßschwingungen führt, die als Buffet bezeichnet werden. Das Phänomen des Buffet definiert für die Flugstabilität einen äußerst kritischen Lastzustand. Im Hinblick auf die zunehmende Bedeutung der virtuellen Flugerprobung sowie die notwendige Gewichtsoptimierung der tragenden Strukturen ist die exakte Vorhersage des Buffet sowie dessen Beeinflussung durch Störungen im Strömungsfeld essentiell. Durch die ökologisch und ökonomisch getriebene Entwicklung von modernen, effizienteren UHBR-Triebwerken (Ultra-High Bypass Ratio) mit wachsendem Durchmesser und deren enge Kopplung an den Flügel entstehen zunehmend instationäre, komplexe Wechselwirkungen zwischen Triebwerksstrahl und Tragflügelströmung, die eine entscheidende Bedeutung für die aerodynamische Integration des Triebwerks haben. Dieser Zusammenhang, der in der Literatur nicht untersucht ist, bestimmt die Motivation für dieses numerische Teilprojekt, den Einfluss der durch eine Triebwerksgondel hervorgerufenen Störungen auf die Anfachung der Stoßschwingungen auf der Saugseite des Tragflügels und die Änderungen des Modells zur Beschreibung des Buffet zu bestimmen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht die Hypothese, dass das an der Hinterkante erzeugte Schallfeld durch die Störungen auf der Unterseite des Tragflügels, die u.a. auf das Triebwerk zurückzuführen sind, beeinflusst wird, weshalb sich eine veränderte Interaktion zwischen Stoß und Schalldruckpegel ergibt, die zu modifizierten Stoßschwingungen auf der Saugseite führt.

Buffet kennzeichnet starke Stoß-Grenzschicht-Interaktionen mit instationären Stoßschwingungen. In Kombination mit dreidimensionaler Geometrie (gepfeilte Flügel, Gondel, Pylon) ergibt dieses Phänomen eine komplexe, nichtlineare Strömung, welche anspruchsvolle Analyse und Modellierung erfordert. Zur Analyse der Resultate und Extraktion der relevanten Physik aus großen LES- und DES-Simulationen werden spezielle Werkzeuge benötigt. Große Datenmengen ziehen dabei sowohl Speicher- als auch Auswertungsprobleme nach sich. Bekannte Methoden zur Reduktion der Datenmenge betrachten vor allem das selektive Sampling oder das Filtern. In diesem Projekt soll die so genannte Sparse Spatial Sampling (S³) Methode erweitert und eingesetzt werden, um die großen Netzgrößen zu reduzieren und die Simulationsergebnisse zu komprimieren. Dies ermöglicht wiederum eine bessere Datenverwaltung und eine vereinfachte Auswertung der Ergebnisse. Verfahren zur Datenauswertung existieren viele. Beispiele hierfür sind Proper Orthogonal Decomposition (POD) und Dynamic Mode Decomposition (DMD), welche derzeit als die beiden mächtigsten Werkzeuge in der Fluiddynamik angesehen werden. Beide spektralen Zerlegungen sollen mit dem eigengefertigten Tool xROM in diesem Projekt weiterentwickelt und angepasst und in der gesamten Forschergruppe eingesetzt werden. Zusätzlich zur Anpassung und Freigabe des xROM soll TP2 eng mit den FOR-Partnern zusammenarbeiten, um die Ergebnisse zu interpretieren. Die Modellierung von Strömungen ermöglicht physikalische Einblicke und Vorhersage jenseits der Trainingsdaten. In diesem Teilprojekt sollen zwei Modellierungsstrategien betrachtet und erweitert werden: Die Dynamic Mode Decomposition (DMD) sowie die Cluster-basierten reduzierten Modelle (CROM). Die DMD soll die relevanten Moden und deren Stabilität erkennen und quantifizieren. Zwei DMD-Varianten (multi-resolution-DMD und randomized DMD) sollen zusammengeführt werden, um den Bereich der räumlich-zeitlichen Moden besser zu identifizieren und Berechnungen an sehr großen Datensätzen zu ermöglichen. Die Ergebnisse der DMD Stabilitätsanalyse sollen mit denen des Kooperationspartners Dr. Sebastian Timme verglichen werden, der die globale Stabilitätsanalyse verwendet. Darüber hinaus sollen zwei clusterbasierte Ansätze zur Analyse und Modellierung eingesetzt werden: der Metric Attractor Overlap (MAO) und die Cluster-basierten reduzierten Modelle (CROM). Diese datengesteuerte Methode eignet sich gut, um die Unterschiede zwischen verschiedenen Strömungsbedingungen (oder verschiedenen Simulationsarten) zu charakterisieren und zu quantifizieren und nichtlineare Strömungen zu modellieren.

Das Teilprojekt beschäftigt sich mit Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen und Buffeterscheinungen auf der Unterseite des Tragflügels sowie auf der Triebwerksgondel und deren Aufhängung. Bei Verkehrsflugzeugen mit Unterflügelanordnung der Triebwerke rufen diese Komponenten abhängig von ihrer Anordnung starke Übergeschwindigkeiten hervor, deren aerodynamische Interferenzen im Bereich des High-Speed Stalls insbesondere für zukünftige UHBR-Triebwerke nicht erforscht sind. Die Forschungsaktivitäten sind charakterisiert durch ein Zusammenspiel der Reifmachung und Verifikation von hochwertigen Methoden der turbulenzauflösenden Strömungssimulation, der Validierung mittels kryogener Windkanalexperimente sowie aus Erkenntniszuwächsen durch Anwendung effizienter Methoden der Datenreduktion. Dieses Zusammenspiel wird ergänzt durch stationäre und instationäre RANS-Simulationen mit Reynoldsspannungs-Modellierung der Turbulenz zur Exploration der grundlegenden aerodynamischen Eigenschaften der betrachteten XRF-1 Konfiguration mit UHBR-Triebwerk im nichtlinearen Bereich der Auftriebskurve. Die methodische Erweiterung der hybriden RANS/LES-Methode ist geprägt durch die Verbindung des IDDES-Ansatzes für die lokale wandmodellierte LES mit der differentiellen Reynolds-Spannungsmodellierung für die statistische Behandlung der Turbulenz sowie der Anpassung algebraischer Sensoren für die synthetische Turbulenzerzeugung. Die so erweiterte HRLM-Funktionalität wird anhand der XRF-1 Konfiguration mit UHBR-Triebwerk verifiziert, wobei die LES-Simulation zu diesem Zweck zunächst auf einen räumlich beschränkten Bereich auf der Innenseite des Pylons an der Verschneidung von Flügel und Pylon begrenzt ist. Auf dieser Studie aufbauend wird in dem LES-Simulationsgebiet ein Ansatz zur Verwendung von Wandfunktionen untersucht und verifiziert, der das Potenzial zur Verringerung der benötigten Netzauflösung eröffnet. Die vertiefenden aerodynamischen Studien sind geprägt durch eine Erweiterung des LES-Bereiches in lateraler und in Längsrichtung, wobei die LES-Auflösung auf der Innenseite des Pylons als Basis dient. Zum einen wird das Gebiet aufgelöster Turbulenz stromauf bis zum Überschallfeld der Gondel erweitert, um instationäre Interferenzen der Überschallfelder auf der Gondel mit dem Bereich der Flügel-Pylon-Verschneidung zu identifizieren. Zum anderen erfolgt die Erweiterung des LES-Gebietes lateral zum Pylon, da hier Überschallgebiete erwartet werden, die sich über den gesamten Bereich der Flügelunterseite zwischen Triebwerk und Pylon bis zum Rumpf erstrecken. Um die neue Methodik bewerten zu können, werden für ausgewählte Strömungsbedingungen Referenzlösungen mit dem URANS/RSM-Ansatz erzeugt, die sich durch eine verbesserte Netzauflösung und sorgfältig abgestimmte numerische Parameter der instationären Simulationen auszeichnen. Diese Studien umfassen auch instationäre Variationen der Anströmparameter, sowie Untersuchungen mit weiterer Steigerung der Reynoldszahl.

Transsonisches Buffet an Flugzeugkonfigurationen stellt aufgrund der Wechselwirkungen von Stoßbewegung und dreidimensionaler stoßinduzierter Strömungsablösung ein komplexes Phänomen dar. Damit die Startbedingungen des turbulenten Nachlaufs, dessen Propagation und Interaktion mit dem Höhenleitwerk mittels CFD-Simulationen so genau wie möglich wiedergeben werden können, müssen zum einen die Strömungsphänomene am Tragflügel, zum anderen die Entwicklung der turbulenten Strukturen und Skalen im Nachlauf physikalisch korrekt reproduziert werden. Die Integration moderner UHBR-Triebwerksgondeln führt außerdem zu einer weiteren Zunahme der Komplexität der erwarteten Strömungsphänomene, die bislang nicht ausreichend untersucht wurde. Um ein tieferes Verständnis dieser Strömungsphänomene an Transportflugzeugen zu erlangen, besteht das übergeordnete Ziel dieses Teilprojektes der FOR2895 in der Erforschung des Einflusses einer stoßinduzierten Ablösung vom Tragflügel auf das Leitwerk und der dabei auftretenden Strömungseffekte und Wechselwirkungen. Zum Erreichen dieses Ziels sollen Vorhersagen über die Entstehung und Entwicklung des Nachlaufs sowie die vom instationären Nachlauf auf das Leitwerk aufgeprägten, möglicherweise sicherheitskritischen Lasten gemacht werden. Zunächst sollen zur Validierung der in diesem Teilprojekt eingesetzten, hybriden RANS/LES-Simulationsmethodik Simulationen an einer im Trisonikkanal der RWTH Aachen im Detail vermessenen Tandemflügel-Konfiguration (TP6) durchgeführt werden. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit den experimentellen Daten sowie detaillierten LES-Simulationen aus TP1 und TP5 sollen ein tieferes physikalisches Verständnis der transsonischen Strömungsphänomene am vorderen Flügel, der Entwicklung des Nachlaufs und dessen Interaktion mit dem hinteren Flügel ermöglichen. Auf den Erkenntnissen dieser Studie aufbauend, sollen hybride RANS/LES-Simulationen an der XRF-1-Flugzeugkonfiguration ohne und mit UHBR-Gondel durchgeführt werden. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Vorhersage der abgelösten Strömung und in der Analyse der dort und im nahen Nachlauf auftretenden strömungsphysikalischen Mechanismen. Ebenfalls soll im flügelnahen Nachlauf der Einfluss einer UHBR-Gondel untersucht werden. Anschließend erfolgen Analysen der Entwicklung der Skalen und Strukturen des turbulenten Nachlaufs sowie der Interaktion des Nachlaufs mit dem Höhenleitwerk. Zur Validierung der Simulationen werden im Kryo-Windkanal ETW durchgeführte Messungen (ETW-Messprojekt) an Flügel, UHBR-Gondel, Nachlauf und Höhenleitwerk herangezogen. Außerdem sollen die Ergebnisse hochaufgelösten LES-Detailsimulationen im Stoßbereich sowie im Bereich der Wechselwirkung zwischen Nachlauf und Höhenleitwerk gegenübergestellt werden. Im Fall mit Triebwerksgondel dienen hybride RANS/LES-Simulationen aus TP3 als zusätzliche spezifische Validierung der Simulationsmethodik.

Die Interaktion von Hauptflügelnachlauf und Strömung am Höhenleitwerk (HTP) bei modernen Verkehrsflugzeugen ist bisher wenig untersucht. Dies gilt insbesondere für den Fall des High-Speed Stalls, bei dem starke Ablösungen und Shock-Buffet auftreten.  Es konnte experimentell und numerisch nachgewiesen werden, dass diese Phänomene am Hauptflügel zu kritischen Lastfluktuationen und ungewollten Strömungszuständen führen können. Erste numerische Untersuchungen deuten weiterhin daraufhin, dass auch am Höhenleitwerk unter Einfluss dieses hoch instationären, turbulenten Nachlaufs eine starke Beeinflussung der Lastfluktuationen und der Grenzschicht bis hin zur Ablösung erfolgen kann. Ziel dieses Teilforschungsvorhabens der Forschungsgruppe ist es daher, durch hochgenaue, skalenauflösende Simulationen der Interaktion von Flügelnachlauf und Höhenleitwerksgrenzschicht zum strömungsphysikalischen Verständnis dieser Situation beizutragen, auftretende Effekte zu charakterisieren und die Modulation der Lastfluktuationen numerisch abbilden zu können. Den Untersuchungen liegt folgende Arbeitshypothese zugrunde: Die Interaktion zweier instationärer, turbulenter Strömungsgebiete, wie sie im Flügelnachlauf und in der Grenzschicht am HTP vorliegen, stellt ein komplexes, bisher kaum untersuchtes Multiskalenproblem dar. Hierbei können kleinskalige Fluktuationen in Nachlauf und Grenzschicht makroskopische Effekte wie Ablösung beeinflussen. Zur Erfassung aller Interaktionen und zur methodischen Absicherung ist daher eine skalenauflösende Simulation im Sinne einer Large Eddy Simulation (LES) erforderlich. Zur Erreichung des Forschungsziels wird eine gestufte Mess- und Simulationskampagne durchgeführt. Dabei wird in Zusammenarbeit mit den beteiligten Teilprojekten ein Grundlagenexperiment an einer Tandemflügelkonfiguration am Trisonikwindkanal der RWTH Aachen bei verringerter Reynoldszahl experimentell und numerisch untersucht. Die numerischen Methoden zur wandmodellierten LES werden anhand dieser Untersuchungen für höhere Reynoldszahlen ertüchtigt, und die Ergebnisse der strömungsphysikalischen Analyse experimentellen Ergebnissen und DES-Resultaten gegenüber gestellt. Die raum-zeitlichen Strukturen der Lösung und die Spektra werden im Hinblick auf den Buffet-Einfluss, die Lastfluktuationen und den Einfluß kleinskaliger Lösungsanteile auf makroskalige Effekte wie Ablösung analysiert. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird anschließend die Nachlauf-Höhenleitwerksinteraktion der XRF-1 Konfiguration bei flugrelevanten Reynoldszahlen untersucht. Die Interpretation und Analyse der Ergebnisse erfolgt synergetisch mit den beteiligten experimentellen und numerischen Teilprojekten. Insgesamt trägt dieses Forschungsvorhaben damit dazu bei, die komplexe Interaktion zwischen turbulentem Nachlauf und Höhenleitwerksgrenzschicht numerisch zu erfassen, auftretende Strömungsphänome zu verstehen und validierte Methoden zur Analyse für zukünftige Entwicklungen bereitzustellen.

Die schallnahe Umströmung moderner Transportflugzeuge an den Flugbereichsgrenzen ist durch stark instationäre aerodynamische Phänomene charakterisiert. Auf der Saugseite transsonischer Tragflügel treten lokale Überschallgebiete auf, die durch einen senkrechten Verdichtungsstoß abgeschlossen werden. Der Stoß wird mit zunehmendem Anstellwinkel und Flugmachzahl stärker und kann massive Ablösungen der Grenzschicht auf dem Tragflügel induzieren. Die Interaktion zwischen Stoß und Grenzschicht kann periodische, selbsterhaltende Stoßoszillationen (Buffet) erzeugen, die die aerodynamischen Lasten stark beeinflussen und die Tragflügelstruktur zu potentiell schädlichen Schwingungen anregen können (Buffeting). Das Phänomen führt somit zu einer reduzierten Lebensdauer und einer Limitation des Flugbereiches hinsichtlich Anstellwinkel und Flugmachzahl. Zusätzlich zu den direkten Einflüssen auf die Tragflügelaerodynamik werden instationäre dynamische Effekte über den Tragflügelnachlauf auch auf die Anströmung das Höhenleitwerks aufgeprägt, was dort zu sehr komplexen Strömungszuständen führt, die noch nicht vollständig untersucht und verstanden sind. Zur Erweiterung der Flugbereichsgrenzen bei hoher Flugsicherheit sind also Verständnis und Voraussagbarkeit der Mechanismen beim Buffet an gepfeilten transsonischen Tragflügeln notwendig. Hierfür ist ein tiefgehendes Verständnis des 2D-Buffet Voraussetzung. Das Gesamtziel dieses Teilprojektes (TP6) ist daher die grundlagenorientierte Identifizierung und Erklärung der Zusammenhänge zwischen Phänomenen und Mechanismen des transsonischen Tragflügelbuffet und der Umströmung des Höhenleitwerks. Hierzu werden hochaufgelöste experimentelle Daten erzeugt und die relevanten Phänomene grundlegend und in Synergie mit numerischen Daten untersucht. Bisherige Untersuchungen wurden bei Reynoldszahlen deutlich unterhalb des flugrealistischen Bereichs durchgeführt. Um diese Lücke zu schließen, beteiligt sich TP6 an den geplanten Messungen im European Transonic Windtunnel (ETW). Ergänzend werden detaillierte Grundlagenexperimente an einem ungepfeilten Tandemflügel bei einer für hochgenaue numerische Verfahren zugänglichen Reynoldszahl durchgeführt. Somit können sowohl die Strömungsphysik und der Einfluss von flugrealistischen Reynoldszahlen und Tragflügelpfeilung untersucht, als auch die Weiterentwicklung numerischer Verfahren unterstützt werden. Mittels Stereo-Dual-Particle Image Velocimetry werden Geschwindigkeitsfelddaten dieser komplexen Strömungen erzeugt, die auch Beschleunigungsinformationen beinhalten. Kombiniert mit fortgeschrittenen Postprocessing-Verfahren zur Analyse der turbulenten Strukturen (Proper Orthogonal Decomposition und Dynamic Mode Decomposition) und Spektralanalysen werden einzigartige Daten und Erkenntnisse möglich, die das Verständnis des Tragflügelbuffets und dessen Einfluss auf die Höhenleitwerksumströmung bei flugrealistischen Reynoldszahlen an der Flugbereichsgrenze entscheidend voranbringen werden.

Eine möglichst genaue Bestimmung aerodynamischer Lasten an den Grenzen der Flugenveloppe von Luftfahrzeugen ist essentiell zur Reduzierung von Unsicherheiten im Entwurfsprozess sowie für strukturoptimierte Lösungen in Bezug auf Massen- und Steifigkeitsverteilung. Das übergeordnete Ziel dieses Teilprojekts innerhalb der Forschungsgruppe FOR 2895 ist es daher, eine für die effiziente Lastenberechnung und -analyse nutzbare Klasse Neuro-Fuzzy-basierter Modelle reduzierter Ordnung für transsonisches Buffet zu entwickeln. Diese sollen vor dem Hintergrund der im Buffet-spezifischen Grenzbereich zu betrachtenden Variationen von Machzahl, Anstellwinkel und Reynoldszahl auf ihre Genauigkeit, Robustheit und Sensitivität untersucht werden. Die Ergebnisse des Modells reduzierter Ordnung werden dabei relativ zu experimentellen und numerischen Referenzdaten bewertet. Besondere Herausforderungen ergeben sich aus dem Aufbau des Konditionierungs- bzw. Trainingsprozesses, der auf die strömungsphysikalisch dominierenden Mechanismen abgestimmt sein muss, um die Charakteristik und die Maximalwerte der instationären aerodynamischen Luftkräfte hinreichend genau wiedergeben zu können. Zur Steigerung der Vorhersagegüte sollen sowohl experimentelle als auch numerische Ergebnisse zur Kalibrierung des Modells eingesetzt werden, sodass die instationäre Lastencharakteristik einer realistischen Transportflugzeugkonfiguration bei „High-Speed Stall“-Bedingungen präzise erfasst wird. Das vorliegende Teilprojekt fokussiert sich auf Neuro-Fuzzy-basierte Ansätze, welche für die Abbildung instationärer aerodynamischer Lasten infolge stochastischer Stoßwanderungen und stark nichtlinearer Wechselwirkungen als vielversprechend angesehen werden.

Im Rahmen der Forschungsgruppe werden in fünf Teilprojekten (TP1, TP3-TP5, TP7) komplementäre numerische Untersuchungen zum High-Speed-Stall von Transportflugzeugkonfigurationen durchgeführt, die synergetisch mit Windkanalexperimenten auch aus TP6 und mit den in TP2 entwickelten Tools ausgewertet und strömungsphysikalisch interpretiert werden. Die in den Teilprojekten der Forschungsgruppe zu untersuchenden Strömungseffekte weisen eine starke Abhängigkeit von der vorliegenden Reynoldszahl auf, was die Nutzung einer entsprechenden experimentellen Datenbasis bei korrekten Reynolds- und Machzahlen zur Erreichung der wissenschaftlichen Ziele unabdingbar macht. Solche Messdaten existieren in dem für die Forschung benötigten Umfang und der erforderlichen Detaillierung nicht, sodass Messungen im Kryo-Windkanal ETW notwendig sind und einen weltweit einzigartiger Datensatz erzeugen werden.

Die genannten Messdaten werden in dem durch das DLR koordinierten „ETW-Messprojekt“ erhoben. Bei den Messungen werden neueste berührungslose Messtechniken, wie zeitaufgelöste Strömungsfeldmessungen mittels PIV (TR-PIV) oder instationäre Druckmessungen mittels drucksensitiver Farbe (iPSP) eingesetzt. In den ETW-Kampagnen werden damit erstmals instationäre Kraft-, Druckverteilungs-, Strömungsfeld- und Verformungsmessungen an einer Transportflugzeugkonfiguration bei realen Flugbedingungen bis in die Flugbereichsgrenzen durchgeführt. Über die komplette Laufzeit der Forschungsgruppe ist für jedes Jahr die Durchführung einer ETW-Kampagne geplant. Die Definition der Messprogramme erfolgt entsprechend den wissenschaftlichen Anforderungen der Forschungsgruppe. Da Messungen in Kryo-Windkanälen und die Bereitstellung entsprechend instrumentierter kryo-tauglicher Windkanalmodelle sehr kostenintensiv sind, erfolgt die Finanzierung des ETW-Messprojektes mit Hilfe einer signifikanten Unterstützung durch die HGF und durch das DLR.

Zur Durchführung wissenschaftlich geprägter ETW Messungen wurde von Airbus das Windkanalmodell einer modernen Transportflugzeugkonfiguration (XRF-1) konzipiert. Airbus stellt dieses Windkanalmodell dem DLR zur Erweiterung und Vermessung im ETW zur Verfügung. Um aktuelle Entwicklungstendenzen zur Nutzung von UHBR Triebwerken aufzugreifen und die auftretenden starken Interferenzen mit dem Tragflügel und dessen Nachlauf in Hinblick auf Buffet-Effekte studieren zu können, werden die konventionellen Triebwerksgondeln durch neue UHBR Gondeln ersetzt. Die UHBR-Komponenten werden im ETW-Messprojekt für das XRF-1 Windkanalmodell ausgelegt, gefertigt und instrumentiert.