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-?) 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. Abstract This thesis deals with the simulation of streamwise vortices appearing at modern aircraft in high-lift configuration. These vortices strongly impact the aerodynamic behavior close to maximum lift conditions. For this reason, an accurate prediction of the vortex system is essential for the aircraft design process. The investigations cover two different test cases, each featuring a part of the whole characteristic vortex system. The first test case is a generic, swept wing with a slat and a Fowler-flap as high-lift devices. The slat is only deflected in the outer part. At the spanwise end of the slat and the corresponding step of the leading edge, streamwise vortices arise. These vortices proceed along the suction side of the wing influencing the local flow field. Within the second test case, a vortex downstream of a delta-wing is analyzed. The size, the sweep-angle and the angle of attack of the delta-wing were adjusted to create a vortex similar to a nacelle strake vortex. The investigations focus on the ability of different approaches treating turbulence in the simulations to predict the characteristics of the vortices accurately. For both test cases, an eddy viscosity model (Menter-SST), a Reynolds-stress model (JHh-v2 / SSG/LRR-?) and a hybrid RANS/LES approach were applied. For the second test case, the vortex characteristics were also analyzed with stereo-PIV measurements. It will be shown, that the Menter-SST eddy viscosity model fails to predict the characteristics of the vortices. In contrast, the results of the Reynolds-stress models are in good agreement with the scale-resolving simulation for the first test case and with the stereo-PIV measurements for the second test case. However, these models strongly underpredict the turbulent values. Here, the hybrid RANS/LES approach shows promising results for the second test case.