Zum Ausgleich der zunehmenden Höheninstabilität bei in Bodennähe operierenden Tragflügeln kann eine Tandemkonfiguration in Form von zwei hintereinander 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 dahinterliegendem 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 numerische 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 werden diskutiert und ausgewertet.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Modellbildung
2.1. Theoretische Erläuterungen zum Bodeneffekt
2.2. Physikalisches Modell
2.3. Numerisches Modell
3. Ergebnisse und Auswertung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die aerodynamischen Auswirkungen des Bodeneffekts auf eine Tandemkonfiguration aus zwei hintereinander angeordneten Profilen (NACA 1412 und NACA 4412). Ziel ist es, numerisch zu bestimmen, wie sich der Bodeneffekt auf den Gesamtauftrieb und die aerodynamische Stabilität dieser spezifischen Konfiguration auswirkt, um deren Eignung für Bodeneffektfahrzeuge zu bewerten.
- Analyse des Bodeneffekts bei zweidimensionalen Profilanordnungen
- Numerische Simulation mittels Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS)
- Vergleich der aerodynamischen Beiwerte mit und ohne Bodeneinfluss
- Untersuchung der Druckverteilung und statischen Höhenstabilität
- Validierung der Modellannahmen durch Vergleich mit experimentellen Daten
Auszug aus dem Buch
2.1. Theoretische Erläuterungen zum Bodeneffekt
Die aerodynamischen Auswirkungen auf ein in Bodennähe (im Bodeneffekt – IBE) umströmtes Profil basieren auf der Überlagerung zweier separater Effekte. Durch die Druckdifferenz zwischen Profilober- und Profilunterseite, wodurch resultierend der Auftrieb erzeugt wird, kommt es bei dreidimensionalen, finiten Tragflügeln zu Ausgleichströmungen um die Flügelspitze. Infolgedessen entstehen dort Verwirbelungen, sogenannte Spitzenwirbel. Die in diesen Wirbeln enthaltene Energie muss in Form von zusätzlicher Antriebsleistung aufgebracht 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 Streckung des Tragflügels ansteigt. Da der induzierte Widerstand mit steigender Streckung sinkt, reduziert sich durch den Einfluss des Bodens also der induzierte Widerstand. Dieser Effekt ist demzufolge Spannweitendominiert (Abramowski 2007).
Weiterhin verändern sich die aerodynamischen Charakteristiken durch die Änderung des statischen Druckes auf der Tragflügelunterseite. Der konstante Gesamtdruck setzt sich zusammen aus dem statischen und dynamischen Druck. Im Vergleich zur freien Anströmung (ohne Bodeneffekt – OBE) wird durch den Einfluss des Bodens die Stromgeschwindigkeit unter dem Tragflügel vermindert, da die Luft dort angestaut wird. Dadurch sinkt der dynamische Druck und es kommt es zu einem Anstieg des statischen Drucks, wodurch die Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite eines Profils zunimmt und somit der Auftrieb vergrößert wird. Dieser Effekt ist somit Profiltiefendominiert (Abramowski 2007).
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in das aerodynamische Phänomen des Bodeneffekts und die Motivation für die Untersuchung von Tandemkonfigurationen zur Verbesserung der Höhenstabilität.
2. Modellbildung: Detaillierte Darstellung der theoretischen Grundlagen des Bodeneffekts, der physikalischen Parameter des Modells sowie der numerischen Umsetzung mittels RANS-Gleichungen.
3. Ergebnisse und Auswertung: Präsentation der Simulationsergebnisse inklusive Gitterkonvergenzstudie, Validierung der Modellannahmen und Analyse der aerodynamischen Kennzahlen der untersuchten Profilkonfiguration.
Schlüsselwörter
Aerodynamik, Bodeneffekt, WIG, Tandemkonfiguration, Höhenstabilität, Ekranoplan, NACA 1412, NACA 4412, RANS, Strömungssimulation, Auftrieb, Widerstand, CFD, Grenzschicht, Druckverteilung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die aerodynamischen Auswirkungen des Bodeneffekts auf eine Tandemkonfiguration aus zwei hintereinander liegenden NACA-Profilen im zweidimensionalen Strömungsfall.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Aerodynamik in Bodennähe, numerische Strömungssimulation (CFD), Profiltheorie und die Untersuchung von Stabilitätseigenschaften bei Bodeneffektfahrzeugen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, den Einfluss des Bodens auf das Auftriebsverhalten und die aerodynamische Stabilität der gewählten Tandemkonfiguration zu quantifizieren und deren Eignung für den Einsatz in Bodeneffektfahrzeugen (WIG-Crafts) zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine numerische Simulation auf Basis von Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) unter Verwendung des Spalart-Allmaras-Turbulenzmodells durchgeführt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretische Herleitung des Bodeneffekts, die detaillierte Definition des physikalischen und numerischen Modells (inklusive Vernetzung) sowie die detaillierte Auswertung der Ergebnisse hinsichtlich Auftriebs- und Momentenbeiwerten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich primär über die Begriffe Bodeneffekt, Tandemkonfiguration, Aerodynamik, RANS-Simulation und NACA-Profile charakterisieren.
Warum wurde in dieser Untersuchung eine Tandemkonfiguration gewählt?
Eine Tandemkonfiguration wird verwendet, um der bei in Bodennähe operierenden Tragflügeln auftretenden Höheninstabilität entgegenzuwirken.
Zu welchem Ergebnis kommt die Arbeit bezüglich der gewählten Profile?
Die Untersuchung zeigt, dass die verwendeten NACA 1412 und NACA 4412 Profile bei 0° Anstellwinkel aufgrund der konvergent-divergenten Passage zwischen Profil und Boden eine Auftriebsminderung erfahren und daher für diesen speziellen Einsatzzweck eher ungeeignet sind.
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- Marko Alder (Author), 2011, Untersuchung der Auswirkungen des Bodeneffektes auf die aerodynamischen Eigenschaften zweier hintereinander liegender Profile, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/192023
