Simulation von Längswirbeln für Verkehrsflugzeuge in Hochauftriebskonfiguration

Übersicht
Diese Arbeit befasst sich mit der Simulation von Längswirbeln, die bei modernen Verkehrsflugzeugen
in Hochauftriebskonfiguration auftreten und das aerodynamische Verhalten im
Bereich des maximalen Auftriebs wesentlich beeinflussen. Aus diesem Grund ist eine genaue
Vorhersage dieses Wirbelsystems im Entwurfsprozess erforderlich. Die Untersuchungen umfassen
zwei unterschiedliche Testfälle, die jeweils einen Teil des gesamten charakteristischen
Wirbelsystems realer Flugzeuge im Bereich des Triebwerks abbilden.
Der erste Testfall ist ein generischer, schiebender Flügel mit einem Vorflügel und einer Fowler-
Klappe, wobei der Vorflügel lediglich im äußeren Bereich ausgefahren ist. An der spannweitigen
Schnittfläche des Vorflügels und am Absatz der Flügelvorderkante entstehen Wirbel,
die entlang der Saugseite des Flügels verlaufen und hier das lokale Strömungsfeld wesentlich
beeinflussen. Beim zweiten Testfall wird der Wirbel hinter einem angestellten Delta-Flügel
untersucht. Die Größe, die Pfeilung und der Anstellwinkel des Delta-Flügels wurden so gewählt,
dass der Wirbel in seinen Eigenschaften einem Gondelstrake-Wirbel ähnelt.
Ein Fokus der Untersuchungen liegt auf der Bewertung der Fähigkeit verschiedener Ansätze
zur Behandlung der Turbulenz, die Eigenschaften der unterschiedlichen Wirbel richtig abzubilden.
Für beide Testfälle werden jeweils ein Wirbelviskositätsmodell (Menter-SST), ein
Reynolds-Spannungsmodell (JHh-v2 / SSG/LRR-ω) und eine hybride RANS/LES-Methode
verwendet. Zudem werden die Wirbeleigenschaften beim zweiten Testfall auch anhand von
Stereo-PIV-Messungen im Rahmen eines Windkanalversuchs ermittelt. Es wird gezeigt, dass
das Menter-SST-Wirbelviskositätsmodell in beiden Testfällen nicht in der Lage ist, die Wirbeleigenschaften
richtig zu erfassen. Im Gegensatz dazu kann eine gute Übereinstimmung der
mittleren Strömungseigenschaften des Wirbels zwischen den Reynolds-Spannungsmodellen
und der skalenauflösenden Simulation im ersten Testfall und den Ergebnissen der Stereo-
PIV-Messungen beim zweiten Testfall gezeigt werden. Die turbulenten Größen im Wirbel
werden jedoch auch von den Reynolds-Spannungsmodellen unterschätzt. Hier zeigt die hybride
RANS/LES-Methode eine gute Übereinstimmung mit den Messungen.