Numerische Simulation der Beeinflussung komplexer Grenzschichten durch periodische Anregung

Einleitung

Bei modernen Verkehrsflugzeugen wird der erforderliche Auftrieb während der Flugphasen Start und Landung durch komplexe Klappensysteme sichergestellt. Wirtschaftliche Gründe sprechen dafür, nach Möglichkeiten zu suchen, um mit einfacheren Klappensystemen den notwendigen Auftrieb zu erreichen. Ziel ist es, das Abreißen der Strömung bei hohen Anstellwinkeln zu verhindern. Experimentell konnte durch periodisches Ausblasen und Absaugen der Grenzschicht das Anlegen einer bereits abgelösten Strömung nachgewiesen werden. Mit Hilfe der numerischen Untersuchungen sollte die Frage geklärt werden, ob sich die Effekte der periodischen Anregung mit einem Finite-Volumen-Verfahren auf der Basis der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) nachvollziehen lassen. Dabei sind neben dem grundlegenden Verständnis insbesondere der Einfluss der Anregeintensität sowie der Anregefrequenz von Interesse. Für die Erfassung der periodischen Anregung wurde das am Hermann-Föttinger-Institut entwickelte Programm ELAN2 um eine entsprechende Randbedingung ergänzt. Ein weiteres Ziel der Untersuchungen war es, die Einsatzmöglichkeiten von Wirbelviskositätsturbulenzmodellen für instationäre Strömungen dieser Art zu untersuchen.

Bild 1: Skizze der untersuchten Hochauftriebskonfiguration im Windkanal

Beschreibung des Testfalls

Untersucht wird eine Hochauftriebskonfiguration aus einem NACA4412 Hauptprofil bei = 3° Anstellwinkel und einem Klappenprofil NACA4415, das unter einem Winkel von 40° hinter dem Hauptprofil montiert ist. Die Simulationen beschränken sich auf den inkompressiblen zweidimensionalen Fall und werden bei einer Reynoldszahl von Re = 160.000 bezogen auf die Profiltiefe c durchgeführt. Sowohl auf dem Hauptprofil als auch auf der Klappe wird eine turbulente Grenzschicht durch Transitionsstreifen sichergestellt. Es wird der überkritische Zustand simuliert, bei dem die Strömung auf der Klappenoberseite ohne periodische Anregung vollständig abgelöst ist. Die Anregung der Klappengrenzschicht erfolgt durch einen Schlitz der Breite H = 0.3 mm, der sich auf der Klappenoberseite in einem Abstand von 4% der Klappentiefe von der Profilvorderkante befindet. Die Anregeintensität wird mit einem dimensionslosen Parameter bezeichnet:

Bild 2 und 3: Darstellung des Gitters und Verteilung des dimensionslosen Wandabstandes über der Profil- und Klappenoberfläche

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