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


Forschungsarbeit, 2011

8 Seiten, Note: 1,0


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:

[...]

Ende der Leseprobe aus 8 Seiten

Details

Titel
Untersuchung der Auswirkungen des Bodeneffektes auf die aerodynamischen Eigenschaften zweier hintereinander liegender Profile
Hochschule
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Note
1,0
Autor
Jahr
2011
Seiten
8
Katalognummer
V192023
ISBN (eBook)
9783656175902
Dateigröße
602 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Aerodynamik, Bodeneffekt, WIG, Tandemkonfiguration, Höhenstabilität, Ekranoplan
Arbeit zitieren
Marko Alder (Autor), 2011, Untersuchung der Auswirkungen des Bodeneffektes auf die aerodynamischen Eigenschaften zweier hintereinander liegender Profile, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/192023

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