Michael Krieger,
"Numerische Untersuchung der Umströmung eines Tragflügels sowie von Zusatzelementen zur Verringerung des induzierten Widerstandes"
, 10-2009
Original Titel:
Numerische Untersuchung der Umströmung eines Tragflügels sowie von Zusatzelementen zur Verringerung des induzierten Widerstandes
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Reduktion des induzierten Widerstands von Tragflügeln. Dazu wird das Vortex Diffuser Konzept mit numerischen Methoden untersucht.
Nach einer Zusammenfassung der Grundprinzipien der Aerodynamik, der Nachlaufwirbelentstehung und von Konzepten zur Reduktion des induzierten Widerstands werden die Grundlagen und Probleme (num. Diffusion) der Finite-Volumen-Methode behandelt. Außerdem werden die reynoldsgemittelten Methoden der Turbulenzmodellierung diskutiert, mit Augenmerk auf dem Eingleichungsmodell von Spalart/Allmaras und einem Reynoldsspannungsmodell.
Numerische Simulationen werden zunächst für den Referenzfall eines Rechteckflügels mit gerundetem Randbogen bei hohem und mittlerem Anstellwinkel und bei einer Reynoldszahl von 171000 durchgeführt. Insbesondere die Wirbelentstehung am Tragflügel wird dabei studiert. Danach wird ein Rechteckflügel mit anschließendem Rotationskörper bei dem hohen Anstellwinkel simuliert um das Strömungsfeld zu bestimmen, in welchem der Vortex-Diffuser arbeitet. Auf Basis dieser Ergebnisse werden Flügelchen entworfen und Simulationen für einen Flügel mit Vortex-Diffuser durchgeführt.
Die Simulationen werden experimentellen, theoretischen und numerischen Resultaten für die selbe bzw. ähnliche Konfigurationen gegenübergestellt. Diese Vergleiche zeigen einen deutlichen Einfluss der numerischen Diffusion auf den Nachlaufwirbel hinter dem Flügel. Die Ergebnisse für die Flügelkräfte und die Ausbildung des Nachlaufwirbels am Flügel sind aber sehr zufriedenstellend. Für den hohen Anstellwinkel ergibt sich eine deutliche Reduktion des Widerstands durch den Vortex-Diffuser. Die Resultate zeigen aber auch einiges an Verbesserungspotential auf. Einige Designprobleme entstehen z.B. durch kleine Sekundärwirbel um den Rotationskörper, die im Zuge der Wirbelaufrollung entstehen. Das Geschwindigkeitsfeld um den Vortex-Diffuser ist daher nicht axialsymmetrisch, wie es für eine einfache Auslegung wünschenswert wäre.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englische Kurzfassung:
This thesis deals with induced drag reduction of wings. To this end the vortex diffuser concept is investigated using numerical simulations.
After a review of the basics of aerodynamics, tip vortex formation and concepts for induced drag reduction, the fundamentals of the finite volume method and its application to the Navier-Stokes equations are covered in some detail in order to address e.g. the problem of numerical diffusion. Furthermore Reynolds-averaged methods for turbulence modelling are discussed with an emphasis on the one-equation model of Spalart and Allmaras and a Reynolds Stress model.
Numerical simulations are carried out at first for the reference case of a rectangular wing with rounded tip at a high and a medium angle of attack for a Reynolds number of 171000. Especially the vortex formation at the wing is studied. Subsequently a rectangular wing with an aft mounted rotational body is simulated at the high angle of attack in order to determine the flow field in which the vortex diffuser will operate. Winglets are then designed on the basis of the previous results and simulations are carried out for the rectangular wing with vortex diffuser.
The simulations are compared to experimental, theoretical and numerical results for the same or similar configurations. These comparisons show that the simulated tip vortex is strongly influenced by numerical diffusion in the area behind the wing. The results for the wing forces and the vortex formation at the wing are, however, quite accurate. A significant drag reduction is observed for the wing with vortex diffuser at the tested high angle of attack. The results also show that there is still some potential for further improvements. Several design problems arise e.g. due to small secondary vortices located around the rotational body which develop in the course of the vortex formation. The velocity field around the vortex is therefore not axisymmetric, as would be desirable for a simple vortex diffuser design.
Erscheinungsmonat:
10
Erscheinungsjahr:
2009
Notiz zur Publikation:
Krieger, Michael
Dissertation am Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der Johannes Kepler Universität Linz,
Austria
Forschungs-