In Anbetracht der Tatsache, dass Segelflugzeuge mit laminaren Tragflügelprofilen,
beim Einflug in Bereiche turbulenter Luft, eine Senkung der Flugleistung erfahren,
sollen die Mechanismen, die für diesen Effekt verantwortlich sind untersucht werden.
Die Verringerung der Flugleistung hängt mit der Rezeptivität – die Anfälligkeit der
Grenzschicht gegenüber äußeren Störungen – zusammen, die zur Transition der
laminaren in eine turbulente Grenzschicht führt. Unter diversen Störungen, die die
Transition einleiten können werden hier hauptsächlich Turbulenzelemente in der
unteren Atmosphäre verantwortlich gemacht. Aufgrund der weitestgehend unbekannten Struktur dieser klein-skaligen Wirbelelemente, wurden in der vorliegenden
Untersuchung Anstrengungen unternommen, um diese Wirbel zu beschreiben. Unter
vielen möglichen Messtechniken wurde die Hitzdrahtanemometrie als geeignet erachtet.
Nach der Kalibrierung der Vier-Draht-Heißfilmsonde im Eifelkanal der TU Darmstadt
wurde die gesamte Anlage an dem Forschungsflugzeug G109b des Fachgebiets
Strömungslehre und Aerodynamik montiert und in Betrieb genommen. Die
Datenerfassung fand an drei Sommernachmittagen in einer Höhe von etwa 1100m statt.
Eine Software zur Auswertung wurde entwickelt, die es ermöglicht Auf- bzw. Abwinde
zu identifizieren und Turbulenzgrade bzw. charakteristische Wirbelgrößen über die
Messdauer zu berechnen. Diese graphisch dargestellten Ergebnisse ermöglichen ein
nachträgliches Analysieren und Vergelichen der einzelnen Abbildungen, woraus sich
einige Zusammenhänge ableiten lassen.
Inhaltsverzeichnis
- Kurzfassung
- Inhaltsverzeichnis
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Nomenklatur
- 1 Einleitung
- 2 Stand der Technik
- 3 Grundlagen
- 3.1 Meteorologie
- 3.1.1 Thermik
- 3.1.2 Turbulenz
- 3.2 Profilumströmung
- 3.3 Messtechnik
- 3.3.1 Überblick über Geschwindigkeitsmesssonden
- 3.3.2 Hitzdrahtanemometrie
- 3.3.3 Die Vier-Draht-Sonde
- 3.3.4 Erfassung der Umgebungsdaten
- 4 Versuchsdurchführung
- 4.1 Kalibrierung
- 4.2 In-flight Messungen
- 4.3 Auswertung
- 5 Diskussion der Ergebnisse
- 5.1 Ergebnisse der Kalibrierung
- 5.1.1 Geschwindigkeitskalibrierung
- 5.1.2 Pitch-Winkel-Kalibrierung
- 5.1.3 Yaw-Winkel-Kalibrierung
- 5.2 Ergebnisse der Auswertung der in-flight Messungen
- 5.2.1 Energiebilanz
- 5.2.2 Turbulenzgradverteilung
- 5.2.3 Turbulenzgrößenverteilung
- 5.3 Die Anlage in Betrieb
- 6 Fazit und Ausblick
- 6.1 Überblick
- 6.2 Ergebnisse
- 6.3 Ausblick
- Quellenangaben
- A Ergebnisse
- A.1 Ergebnisse der Kalibrierung
- A.2 Ergebnisse der Auswertung
- A.3 Durchgeführte Messungen
- B Die Anlage
- B.1 Befehle zum Betreiben der Anlage
- B.2 Angaben zum Eifelkanal der TU Darmstadt
- B.3 Angaben zur Heißfilmsonde
- B.4 Platzierung der Sonde
- C Quellcodes
- C.1 Programm: EAverages_end.m
- C.2 Programm: ABn_end.m
- C.3 Programm: Auswertung_end.m
- C.4 Programm: Flugverlauf_end.m
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Studienarbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung klein-skaliger, atmosphärischer Turbulenz mithilfe einer Heißfilmsonde im Flugversuch. Ziel ist es, die Mechanismen zu verstehen, die bei Segelflugzeugen mit laminaren Tragflügelprofilen zu einer Senkung der Flugleistung in turbulenten Luftbereichen führen.
- Turbulenzelemente in der unteren Atmosphäre und ihre Auswirkung auf die Flugleistung von Segelflugzeugen
- Rezeptivität der Grenzschicht und Transition von laminarer zu turbulenter Strömung
- Hitzdrahtanemometrie als Messtechnik zur Erfassung klein-skaliger Turbulenz
- Analyse der Turbulenzmerkmale mithilfe einer Vier-Draht-Heißfilmsonde im Flugversuch
- Entwicklung einer Software zur Auswertung der Messdaten und Interpretation der Ergebnisse
Zusammenfassung der Kapitel
- Kapitel 1: Einleitung: Diese Einleitung führt in die Thematik der Studienarbeit ein und erläutert den Hintergrund der Untersuchung. Sie beschreibt die Problematik der Flugleistungseinbußen von Segelflugzeugen in turbulenter Luft und die Bedeutung des Verständnisses der zugrunde liegenden Mechanismen.
- Kapitel 2: Stand der Technik: In diesem Kapitel wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zu den Themen Turbulenz, Grenzschichttransition und Hitzdrahtanemometrie gegeben. Es werden wichtige Erkenntnisse und aktuelle Forschungsansätze präsentiert, die für die vorliegende Arbeit relevant sind.
- Kapitel 3: Grundlagen: Dieses Kapitel vermittelt grundlegende Kenntnisse über Meteorologie, insbesondere Thermik und Turbulenz. Außerdem werden die Grundlagen der Profilumströmung und die Funktionsweise der Hitzdrahtanemometrie erläutert. Es werden verschiedene Geschwindigkeitsmesssonden vorgestellt und die Besonderheiten der verwendeten Vier-Draht-Sonde hervorgehoben.
- Kapitel 4: Versuchsdurchführung: In diesem Kapitel werden die Durchführung der Kalibrierung der Heißfilmsonde im Eifelkanal der TU Darmstadt und die in-flight Messungen am Forschungsflugzeug G109b beschrieben. Außerdem werden die Methoden zur Auswertung der Messdaten erläutert.
- Kapitel 5: Diskussion der Ergebnisse: In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Kalibrierung und der in-flight Messungen detailliert dargestellt und diskutiert. Es werden die ermittelten Turbulenzgrade und charakteristischen Wirbelgrößen analysiert und interpretiert. Zudem wird die Funktionalität der gesamten Messanlage beleuchtet.
Schlüsselwörter
Die zentralen Schlüsselwörter der Arbeit sind: klein-skalige, atmosphärische Turbulenz, Heißfilmsonde, Flugversuch, Segelflugzeug, laminare Tragflügelprofile, Flugleistung, Rezeptivität, Grenzschichttransition, Hitzdrahtanemometrie, Vier-Draht-Sonde, Messdaten, Auswertung, Turbulenzgrade, Wirbelgrößen.
- Citation du texte
- Christoph Dienel (Auteur), 2007, Experimentelle Untersuchung klein-skaliger, atmosphärischer Turbulenz mit Hilfe einer Heißfilmsonde im Flugversuch, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/74120
