Wie in der Kurzbeschreibung angedeutet, sollen im Teilprojekt zwei wesentliche Ziele verfolgt werden:
Ziel 1: Entwicklung und Bewertung einer effizienten Berechnungsmethodik zur Vorhersage von instationären Lasten am Flugzeug in Folge atmosphärischer Störungen wie Böen
Ziel 2: Entwicklung und Bewertung einer hochgenauen, hybriden Berechnungsmethodik zur Vorhersage von instationären Lasten am Flugzeug in Folge atmosphärischer Störungen
Im folgenden Text wird der aktuelle Stand der Forschung jeweils pro Teilziel näher erläutert.
Ziel 1: Entwicklung und Bewertung einer effizienten Berechnungsmethodik zur Vorhersage von instationären Lasten am Flugzeug in Folge atmosphärischer Störungen wie Böen
Der TAU-Code ist dahin gehend erweitert worden, neben dem bereits verfügbaren Disturbance Velocity Approach (DVA) auch einen weiteren Ansatz zur Verfügung zu stellen, dem Resolved Gust Approach (RGA). Die Ansätze werden im folgenden Text mit DVA und RGA abgekürzt. Anders als der einfache DVA kann mit dem RGA, bei dem die Böe im Feld aufgelöst wird, die wechselseitige Interaktion von Flugzeug und Böe berücksichtigt werden. Es wird nicht nur der Einfluss der Böe auf die Flugzeugaerodynamik, sondern auch der Einfluss der Aerodynamik auf die Gestalt der Böe erfasst.
Um dies tun zu können, wird die Böe über eine instationäre Randbedingung in das Strömungsfeld eingefüttert. Um die Böe ohne zu große numerische Verluste vom Einströmrand bis hin zum Flugzeug transportieren zu können, wäre eine sehr feine Netzauflösung im gesamten Strömungsfeld erforderlich. Um dies umgehen zu können, ist eine spezielle Strategie entwickelt worden. Die Böe wird über ein hochaufgelöstes Gitter (grün im folgenden Bild) transportiert, welches sich gemeinsam mit der Böe zum Flugzeug hin bewegt. Dieses ist eingebettet in ein Kartesisches Hintergrundnetz (rot). Ebenfalls in das Kartesische Netz eingebettet ist im Beispiel unten das 2D-Gitter einer Flügel-Leitwerkskonfiguration. Die Kommunikation der Gitter erfolgt über die in TAU verfügbare Technik der überlappenden Netze.
Um beurteilen zu können, wie gut der einfache DVA im Vergleich zum hochgenauen Ansatz ist, wurden Simulationen für unterschiedliche Verhältnisse der Böenwellenlänge relativ zur Profiltiefe des Flügels für subsonische und transsonische Anströmverhältnisse durchgeführt, die in folgender Grafik und Tabelle festgehalten worden sind. Um sicherzustellen, dass die Böe bei Nutzung des RGA ohne Verluste transportiert wird, ist im Vorfeld eine Netzkonvergenz Studie durchgeführt worden.
Es zeigt sich, dass für Wellenlängenverhältnisse ≥ 2 der DVA im Vergleich zum hochgenauen Ansatz (RGA) eine sehr gute Übereinstimmung für den Auftrieb aufgetragen über die Zeit liefert. Für kleinere Wellenlängen, insbesondere für transsonische Strömungen steigt der Fehler, hier berechnet aus der Abweichung des maximal vorhergesagten Auftriebs, in den Bereich von 10 % an, was nicht mehr akzeptabel ist. Eine detaillierte Diskussion der Ergebnisse ist in 1 zu finden.
Ziel 2: Entwicklung und Bewertung einer hochgenauen, hybriden Berechnungsmethodik zur Vorhersage von instationären Lasten am Flugzeug in Folge atmosphärischer Störungen
Nach Projektstart ist zur Realisierung des hochgenauen Simulationsansatzes zunächst eine Kopplung von TAU mit einem Kartesischen Löser höherer Ordnung durchgeführt worden. Dazu wurde das in der ersten Projektphase entwickelte Kopplungsmodul verwendet. Mit einer Reihe von Testfällen wie etwa einem konvektierten zylindrischem Wirbel, wurde die Tragfähigkeit des gewählten Ansatzes nachgewiesen.
Wie oben für den RGA werden auch hier die Böen über eine nichtreflektierende Randbedingung in das Strömungsfeld eingefüttert. Es wurde die klassische "1-cos Böe", wie sie auch im Zertifizierungsprozess von Flugzeugen eingesetzt wird, implementiert und erfolgreich getestet. Inputparameter sind die Böen-Amplitude und die Wellenlänge.
Abbildung 3 zeigt eine 2D-Testsimulation, bei dem ein NACA0012-Profil mit einer Böe interagiert. Die Böe wurde von links durch den Kartesichen Gitterbereich (rot) in den unstrukturierten Gitterbereich (grün) transportiert. Die Böe befindet sich gerade unterhalb des Profils. In Farben dargestellt ist die Verteilung der Vertikalgeschwindigkeit. Die weißen Konturlinien sind Isobaren. Eine detailliertere Beschreibung ist in 2 zu finden.
Seit Sommer 2013 wird daran gearbeitet, atmosphärische Turbulenzen in den Kartesischen Löser einzufüttern, die im Vorfeld mit dem LES Verfahren PALM im Teilprojekt A2 berechnet wurden. Es ist ein erfolgsversprechendes Konzept erarbeitet worden und mit der Umsetzung begonnen worden. Eine Schwierigkeit, die sich dabei zeigte, ist die unterschiedliche Art der verwendeten Strömungslöser. Während das Kartesische Verfahren CTAU dichtebasiert formuliert ist, handelt es sich bei PALM um einen druckbasierten Löser.
In der ersten Hälfte dieses Teilprojektes zeigten sich Schwächen des ausgewählten Kartesischen Verfahrens (CTAU) hinsichtlich der Erweiterbarkeit und der Effizienz. Daher wurde nun die Entscheidung getroffen, dieses durch den in der Industrie etablierten Block-strukturierten Code FLOWer zu ersetzten, welcher auch die Möglichkeit bietet, räumlich höherer Ordnung (4ter Ordnung) zu rechnen.
1. Heinrich, R.: Simulation of Interaction of Aircraft and Gust with the TAU-Code. 18. DGLR-Fachsymposium der STAB 2012, 06.-07. Nov. 2012, Stuttgart, Deutschland.
2. Kelleners, P., Spiering, F.: CTAU, A Cartesian Grid Method for Accurate Simulation of Compressible Flows with Convected Vortices. 18. DGLR-Fachsymposium der STAB 2012, 06.-07. Nov. 2012, Stuttgart, Deutschland.