Forschung im HLRN-Verbund 2011

136Luftwirbel im FlugantriebSimulation des Überziehens von Triebwerkseinlaufströmungen mit fortschrittlichenTurbulenzmodellenR. Radespiel, A. Probst, Institut fürStrömungsmechanik, TU BraunschweigKurzgefasst• Strömungsablösungen im Einlauf von Triebwerkenkönnen den sicheren Betrieb der Flugantriebegefährden.• Zur Vorhersage solcher Phänomene eignetsich die numerische Strömungssimulation, diemit Hilfe hochwertiger Reynolds-Spannungs-Turbulenzmodelle weiter verbessert werdenkann.• Die Auflösung der zeitlich veränderlichen, dreidimensionalenStrömungsstrukturen erforderteinen hohen Rechenaufwand mit mehr als 100parallelisierten CPU.Trotz der hohen Sicherheitsstandards im Flugreiseverkehrbestehen auch heute noch schwer berechenbareProblemstellungen, die Gegenstandaktueller Forschung in der Luftfahrt sind. Einhäufiges Phänomen sind unerwartete Windböen,die das Flugzeug erfassen und die Insassen kräftigdurchschütteln können. Noch problematischer alsdas Wohlbefinden der Passagiere ist die Tatsache,dass die zusätzlich angreifenden Luftströmeden so genannten Anstellwinkel des Flugzeugskurzzeitig erheblich vergrößern können. Wird hierbeiein gewisses zulässiges Maß überschritten, solöst die normalerweise an der Wand gebundeneStrömung von der Oberfläche ab. Dadurch entstehenstarke Luftverwirbelungen, die die Flugeigenschaftenbeeinträchtigen können. Das Einsetzenvon Ablösungen infolge einer Anstellwinkelerhöhungwird auch als Überziehen bezeichnet.Strömungsablösungen treten nicht nur an denTragflügeln auf, sondern auch im vorderen Einlaufder Flugtriebwerke, die für den notwendigenAntrieb des Flugzeugs sorgen. Dort störendie Luftwirbel die Zuströmung zu den rotierendenSchaufelblättern im Inneren des Triebwerksund vermindern seine Schubleistung. Im Extremfallkann es sogar zum Ausfall des gesamtenTriebwerks kommen. Aus diesen Gründen ist eswichtig, das Auftreten und die Auswirkungen vonStrömungsablösungen in Einläufen möglichst genauzu kennen und vorhersagen zu können. Solassen sich bereits in der Entwurfsphase neuerFlugzeuge und Triebwerke Verbesserungen vornehmen,um die Flugsicherheit weiter zu erhöhen.In dem hier vorgestellten Projekt wird die Methodeder numerischen Strömungssimulation zurVorhersage von Einlaufablösungen verwendet unddurch den Einsatz von fortschrittlichen Berechnungssansätzenverbessert. Dabei stellt die Wiedergabeder Turbulenz einen Schlüsselaspektfür die Genauigkeit der Simulationsergebnissedar, da die turbulenten Schwankungsbewegungender Strömung einen wesentlichen Einflussauf den Ort und die Ausdehnung von Ablösungenhaben. Um den andernfalls enormen Rechenaufwandzu begrenzen, werden die turbulentenSchwankungen in der Regel mit Hilfe so genannterTurbulenzmodelle nur angenähert berechnet.Dadurch kann die Genauigkeit der Simulationsergebnissestark leiden. Mit neuartigenReynolds-Spannungsmodellen (RSM), wie sie indiesem Projekt verwendet werden, sind gegenüberherkömmlichen Ansätzen jedoch deutliche Verbesserungenzu erzielen.Um die Genauigkeit und die Anwendbarkeitsolcher Modelle zu erforschen, wurde amInstitut für Strömungsmechanik ein Reynolds-Spannungsmodell in den DLR-TAU Code implementiert[1], [2], der in diesem Projekt als primäresWerkzeug für die Strömungssimulation eingesetztwird. Zur Beurteilung neuer Simulationsverfahrengreift man üblicherweise auf experimentelleUntersuchungen im Windkanal zurück und vergleichtdie Rechenergebnisse mit den Messdaten.Zum Zwecke dieser so genannten Validierungwerden an der UniBW München begleitendeExperimente durchgeführt, in denen eine Triebwerksgondelbei hohen Anstellwinkeln im Windkanaluntersucht wird. Die dabei auftretendenStrömungsablösungen werden u.a. durch optischeVerfahren genau vermessen und dienen den Simulationsrechnungenals Vergleichsbasis.Zur Vorbereitung der Simulationen wird ein Rechennetzerzeugt, das das Strömungsgebiet umdie Gondeloberfläche in eine Vielzahl kleiner Zellenunterteilt. Das numerische Verfahren kann dieStrömungsgrößen nämlich nur in diskreten Punktendes Raumes berechnen, die durch den Aufbaudes Rechennetzes vorgegeben sind. Dabeimuss sichergestellt werden, dass die räumlicheAuflösung überall ausreicht, um die jeweils auftretendenStrömungsstrukturen erfassen zu können.Bei der vergleichsweise einfachen Geometrie einerTriebwerksgondel genügt hierfür ein Rechennetzmit etwa 5 Mio. Knotenpunkten. Um damit daszeitliche Verhalten der häufig stark schwankendenIngenieurwissenschaften