Aerodynamic and numerical flow modeling of elastic high lift configurations

Schieffer, Gero; Behr, Marek

doi:4758

Aerodynamic and numerical flow modeling of elastic high lift configurations = Aerodynamik und numerische Strömungsmodellierung elastischer Hochauftriebskonfigurationen

Schieffer, Gero

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gero Schieffer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXI, 156 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Behr, Marek (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-01-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47584
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229479/files/4758.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Computergestützte Analyse technischer Systeme (416010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Turbulente Strömung (Genormte SW) ; Umschlag <Strömungsmechanik> (Genormte SW) ; Aeroelastizität (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Hochauftrieb (frei) ; Transition (frei) ; laminar-turbulente Transition (frei) ; Turbulenz (frei) ; RANS (frei) ; laminar-turbulent transition (frei) ; computational fluid dynamics (frei) ; aeroelasticity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Umströmung von Hochauftriebskonfigurationen ist durch eine komplexe Physik gekennzeichnet, welche Phänomene wie die Interaktion von Grenzschichten und Nachläufen sowie die laminar-turbulente Transition beinhaltet. Der Entwurf der meisten Flugzeuge basiert auf Leichtbaukonstruktionen, welche die Steifigkeit des Flügels verringern. Die elastischen Eigenschaften des Flügels beeinflussen ebenfalls die Leistungen der Hochauftriebskonfigurationen. Insbesondere eine elastische Klappe kann sich verformen und damit die Größe des Spaltes zwischen Flügel und Klappe ändern. Dieser Spalt beeinflusst die Eigenschaften einer Hochauftriebskonfiguration erheblich. Um in einer frühen Phase des Designprozesses eine genaue Vorhersage der Strömung um eine elastische Hochauftriebskonfiguration zu ermöglichen, bietet sich numerische Werkzeuge an. Das Programm QUADFLOW beinhaltet eine Gitteradaption, welche sicherstellt, dass die physikalischen Phänomene in Strömungen um Hochauftriebskonfigurationen räumlich aufgelöst werden können. In dieser Arbeit wurde der Strömungslöser in QUADFLOW um Modelle zur besseren Vorhersage von Strömungsablösung sowie laminar-turbulenter Transition erweitert. So wurden drei zusätzliche Zweigleichungs-Turbulenzmodelle implementiert, um die Vorhersage des Beginns von Strömungsablösungen zu verbessern. Ein Transitionskriterium wurde implementiert, um den Beginn der laminar-turbulenten Transition zu bestimmen. Die in die Software integrierten Turbulenz- und Transitionsmodelle wurden verwendet, um Testfälle aus der Literatur zu simulieren. Ein Vergleich der experimentellen und numerischen Daten ergab eine gute Übereinstimmung. Die zunehmende Komplexität der zu untersuchenden Geometrien und die damit steigende Größe der Rechennetze führt dazu, dass die Reduktion der Rechenzeit ein wichtiges Thema bleibt. Daher wurden die Möglichkeiten einer neuen Jacobian-free Newton-Krylov Methode zur Verringerung der Rechenzeit untersucht und deutliche Verbesserungen festgestellt. Um direkte aeroelastische Simulationen zu ermöglichen, wurde QUADFLOW in den aeroelastischen Löser SOFIA eingebunden. Die Kopplung der verschiedenen Programme wurde mittels zweier Testfälle, welche einen elastischen Flügel betrafen, validiert und eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen festgestellt. Die Genauigkeit der berechneten Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte einer Hochauftriebskonfiguration konnte durch die Berücksichtigung transitioneller Effekte verbessert werden. Insbesondere konnte der Anstellwinkel, bei dem Strömungsabriß auftritt, genauer vorhergesagt werden. Die Untersuchungen der elastischen Hochauftriebskonfiguration zeigen, dass die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte durch die Rotation der Klappe zu kleineren Anstellwinkeln verringert werden.

The flow about high-lift configurations is characterized by complex physics which include the interaction of boundary layers and wakes as well as laminar-turbulent transition. The design of most aircraft relies on lightweight construction which decreases the stiffness of the wing. The elastic properties of the wing also influence the performance of high-lift configurations. Most importantly, an elastic flap can deform and thus change the size of the gap between the wing and the flap. This gap has an significant effect on the performance of a high-lift configuration. Numerical tools offer the potential to allow an accurate prediction of the flow about elastic high-lift configurations in an early phase of the design process. The tool QUADFLOW includes grid adaptation, which assures that the phenomena which exist in high-lift flows can be spatially resolved. On the modelling side, flow separation and laminar-turbulent transition are particularly important to properly simulate. Therefore, three additional two-equation turbulence models have been implemented in the flow solver within QUADFLOW to improve the prediction of the onset of flow separation. A transition criterion has been implemented to predict the onset of laminar-turbulent transition. The implemented turbulence and transition models have been validated against test cases found in the literature and good agreement between numerical and experimental results has been achieved. With increasingly complex models and mesh sizes, the reduction of computational runtime remains an important topic. Therefore, the potential of a new Jacobian-free Newton-Krylov method to decrease the computational time has been assessed and found to give significant accelerations. To enable direct aeroelastic simulations, QUADFLOW has been embedded into the elastic solver SOFIA. The coupling of the solvers has been validated against two test cases simulating an elastic wing and a good agreement between numerical and experimental data has been achieved. For the flow about a high-lift configuration, the prediction of lift and drag coefficients has been improved by taking transitional effects into account. In particular, the angle of attack where stall occurs has been predicted more accurately. The investigation of an elastic high-lift configuration revealed that the generated lift and drag coefficients are reduced due to the rotation of the flap to lower angles of attack.

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