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Untersuchung der Auswirkungen des Bodeneffektes auf die aerodynamischen Eigenschaften zweier hintereinander liegender Profile

Forschungsarbeit 2011 8 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Fahrzeugtechnik

Leseprobe

Untersuchung der Auswirkungen des Bodeneffektes auf die aerody- namischen Eigenschaften zweier hintereinander liegender Profile

Zum Ausgleich der zunehmenden Höheninstabilität bei in Bodennähe operie- renden Tragflügeln kann eine Tandemkonfiguration in Form von zwei hinter- einander angeordneten Tragflächen verwendet werden. Diese wissenschaftliche Abhandlung untersucht den Einfluss des Bodens auf eine solche Konfiguration im zweidimensionalen Fall mit einem NACA 1412 und einem dahinterliegen- dem NACA 4412 Profil unter einer Anströmgeschwindigkeit von 21,91 m/s mit Luft unter Bedingungen der Standardatmosphäre. Beide leicht zueinander versetzten Profile werden bei einem Anstellwinkel von 0° angeströmt. Die nu- merische Simulation mit Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen ergibt eine Verringerung des Gesamtauftriebs aufgrund der konvergent- divergenten Passage zwischen Profil und Boden. Die Details der Lösung wer- den diskutiert und ausgewertet.

Stichwörter: Aerodynamik, Bodeneffekt, WIG, Tandemkonfiguration, Höhenstabilität, Ekranoplan

Nomenklatur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Der Bodeneffekt ist ein aerodynamisches Phänomen, das alle Fahrzeuge betrifft, wel- che durch in Bodennähe (ca. 30% der Profil- tiefe oder weniger) operierende Tragflügel Auftrieb erzeugen. Dazu zählen neben tief fliegenden Flugzeugen also auch Hubschrau- ber. Schon den Pionieren der Luftfahrt fiel auf, dass durch den Einfluss des Bodens eine Zunahme an Auftrieb und Verringerung des induzierten Widerstandes auftritt. Speziell auf dieses Phänomen ausgelegte Bodenef- fektfahrzeuge (engl. wing-in-ground-effect craft oder WIG), auch als Ekranoplane be- zeichnet, benötigen im Vergleich zu norma- len Verkehrsflugzeugen daher weniger An- triebsenergie. Sie füllen damit eine Nische zwischen Schiffen und Flugzeugen. Aller-

dings weist diese Form der Fortbewegung auch nachteilige Eigenschaften auf. Gewölb- te Profile erzeugen zwar in Bodennähe zu- sätzlichen Auftrieb, erweisen sich aber prob- lematisch in der statischen Höhenstabilität (Abramowski 2007). Diesem Nachteil be- gegnet man üblicherweise mit einen großen T-Leitwerk, einem S-Schlag Profil oder einer Tandemkonfiguration (Park und Lee 2010). Letzteres wird in den folgenden Kapiteln numerisch untersucht und erläutert werden.

2. Modellbildung

2.1. Theoretische Erläuterungen zum Bo- deneffekt

Die aerodynamischen Auswirkungen auf ein in Bodennähe (im Bodeneffekt - IBE) umströmtes Profil basieren auf der Überlage- rung zweier separater Effekte. Durch die Druckdifferenz zwischen Profilober- und Profilunterseite, wodurch resultierend der Auftrieb erzeugt wird, kommt es bei dreidi- mensionalen, finiten Tragflügeln zu Aus- gleichströmungen um die Flügelspitze. Infol- gedessen entstehen dort Verwirbelungen, sogenannte Spitzenwirbel. Die in diesen Wirbeln enthaltene Energie muss in Form von zusätzlicher Antriebsleistung aufge- bracht werden (Anderson 2007). Durch den Einfluss des Bodens wird die vollständige Ausbildung der Spitzenwirbel eingeschränkt. Sie werden in Spannweitenrichtung nach außen verdrängt, wodurch die effektive Stre- ckung des Tragflügels ansteigt. Da der indu- zierte Widerstand mit steigender Streckung sinkt, reduziert sich durch den Einfluss des Bodens also der induzierte Widerstand. Die- ser Effekt ist demzufolge Spannweiten domi- niert (Abramowski 2007).

Weiterhin verändern sich die aerodynami- schen Charakteristiken durch die Änderung des statischen Druckes auf der Tragflügelun- terseite. Der konstante Gesamtdruck setzt sich zusammen aus dem statischen und dy- namischen Druck. Im Vergleich zur freien Anströmung (ohne Bodeneffekt - OBE) wird durch den Einfluss des Bodens die Stromge- schwindigkeit unter dem Tragflügel vermin- dert, da die Luft dort angestaut wird. Da- durch sinkt der dynamische Druck und es kommt es zu einem Anstieg des statischen Drucks, wodurch die Druckdifferenz zwi- schen Ober- und Unterseite eines Profils zu- nimmt und somit der Auftrieb vergrößert wird. Dieser Effekt ist somit Profiltiefen do- miniert (Abramowski 2007).

2.2. Physikalisches Modell

Als Strömungsmedium wird Luft unter Be- dingungen der Standardatmosphäre verwen- det. Die Strömung um die Profile NACA

1412 (c1=2m) und NACA 4412 (c2=2m; vgl. Abbildung 1) wird als turbulent und stationär angenommen. Aus einer Reynoldszahl von ͳǡͷ ή ͳͲ଺, bezogen auf die Referenzlänge 1m, ergibt sich die Anströmgeschwindigkeit von ஶ ൌ ʹͳǡͻͳͳ Ȁ• . Aufgrund der gerin-

gen Machzahl wird das Strömungsmedium als inkompressibel angesehen. In dieser nu- merischen Analyse wird die Turbulenz durch Reynolds-gemittelte Navier-Stokes Glei- chungen (RANS-Gleichungen) modelliert und so die Auswirkungen des Bodens (h1=0,4m und h2=0,2m) auf die zwei Profile in Tandemkonfiguration bei 0° Anstellwinkel untersucht. Der Abstand zwischen den bei- den Profilvorderkanten beträgt 4m.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1. Konfiguration

Die durch die zeitliche Mittelung der Strö- mungsgrößen hervorgerufene turbulente Scheinspannung wird durch ein entsprechen- des Wirbelviskositätsmodell mit den Ge- schwindigkeitsgradienten ermittelt. In diesem Fall kommt das Ein-Gleichungsmodell Spalart-Allmaras mit Low-Reynolds- Modellierung für den Wandbereich zur An- wendung. Dies ist speziell für die Umströmung von Profilen geeignet und wur- de in Firooz und Gadami (2006) für eine zweidimensionale Strömung um NACA 4412 mit dem Realizable K-ε Turbulenzmodell verglichen und experimentellen Versuchen gegenübergestellt. Für eine Auflösung der viskosen Unterschicht liefert das Spalart- Allmaras Modell hinreichend genaue Ergeb- nisse.

2.3. Numerisches Modell

Das Strömungsfeld ist diskretisiert durch ein unstrukturiertes Gitter aus quadrilateralen

Zellen, über denen die Erhaltungsgleichun- gen mittels des Finiten Volumenverfahrens gelöst werden. Die Gitterlinien liegen weit- gehend parallel und senkrecht zur lokalen Anströmrichtung, wodurch der Abbruchfeh- ler minimiert wird (Kim et. al. 2003). Es wird das knotenbasierte Green-Gauß Theorem angewendet, um die Genauigkeit der Lösung zu steigern. Für die konvektiven und diffusen Terme der Erhaltungsgleichungen werden Interpolationsverfahren 2ter Ordnung (Hickel 2006) verwendet. Zur Kopplung von Druck- und Geschwindigkeitsfeld dient das Druck- korrekturverfahren SIMPLE. Der wandnahe Bereich beider Profile ist zur genauen Ab- bildung der Grenzschicht mit einem C-Gitter aus 20 Schichten diskretisiert (vgl. Abbil- dung 2). Die Höhe der ersten Zellschicht wird dazu nach Schlichting und Gersten (2000) durch [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] berechnet:

[...]

Details

Seiten
8
Jahr
2011
ISBN (eBook)
9783656175902
Dateigröße
602 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v192023
Institution / Hochschule
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Note
1,0
Schlagworte
Aerodynamik Bodeneffekt WIG Tandemkonfiguration Höhenstabilität Ekranoplan

Autor

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