Forschung im HLRN-Verbund 2011

78Welchen Einfluss hat atmosphärische Turbulenz auf dieFlugsicherheit?Numerische Simulation zur Wechselwirkung der Atmosphäre mit derTragflügelumströmungS. Raasch, C. Helmke, Institut für Meteorologieund Klimatologie, Leibniz Universität HannoverKurzgefasst• Für Untersuchungen des Strömungsabrisses anFlugzeugflügeln während der Landephase werdenComputersimulationen eingesetzt.• Das Ziel dieser Untersuchungen ist eine Erweiterungdes fliegbaren Bereiches, der geringereFluggeschwindigkeiten als bisher üblich zulässt.Dies führt u.a. zu weniger Lärmimmissionen.• Die atmosphärische Turbulenz in der unteren Atmosphärekann einen großen Einfluss auf diesenStrömungsabriss haben.• Entsprechende Turbulenzsimulationen sind extremaufwendig.• Solche Modellläufe benötigen mehrere WochenCPU-Zeit auf 4096 Prozessorkernen undzählen zu den weltweit aufwendigsten meteorologischenTurbulenzsimulationen, die je durchgeführtwurden.Flugzeuge müssen während des Landeanflugesinnerhalb der Grenzen des risikofrei fliegbaren Bereichesbleiben. In diesem Bereich ist die Gefahreines sogenannten Strömungsabrisses umden Tragflügel normalerweise sehr gering. Bei einemStrömungsabriss wird die Luft, die oberhalbdes Tragflügels strömt, abgelöst, das Flugzeughat keinen Auftrieb mehr und sackt ab. Verursachtwird diese Ablösung durch zu hohe Anstellwinkelder Tragflügel. Die Gefahr ist besondersgroß bei geringen Fluggeschwindigkeiten, dennhier sind wesentlich größere Anstellwinkel nötig.Aufgrund des hohen Risikos können die genauenGrenzen des fliegbaren Bereiches allerdings nichtausgetestet werden. Für den Flugverkehr hättees jedoch Vorteile, wenn im Landeanflug langsamerals bisher üblich geflogen werden könnte.Weniger Lärmimmissionen und höheren Flugfrequenzenwären die Folge. Ein Ziel ist es daher,die Grenzen des fliegbaren Bereich zu ermittelnund unter Beibehaltung der Sicherheit zu erweitern.Hierfür sind gezielte Untersuchungen desStrömungsabrisses notwendig. Reale Flugexperimenteeignen sich für solche Untersuchungen weniger,da sie meist zu teuer vor allem aber auchzu risikoreich sind. Eine Alternative bieten numerischeComputersimulationen von Strömungenum Tragflügel. Die Simulationen erlauben einendetailierten Einblick, da Tragflügelumströmungenverschiedenster Flugzustände berechnet werdenkönnen und an jeder Stelle des Tragflügels zu jedemZeitpunkt der Simulation Daten zur Verfügungstehen.Während des Landeanfluges befinden sich dieFlugzeuge nahe der Eroberfläche. Hier herrschenWindverhältnisse, die sich von denen in größerenHöhen stark unterscheiden. Die Strömungen in derunteren Atmosphäre werden von der Eroberflächedirekt beeinflusst. Je nach Wetterlage und Tageszeitist dieser Einfluss vertikal auf einen Bereichvon wenigen Dekametern bis maximal 2-3 km beschränkt.In dieser Schicht, der atmosphärischenGrenzschicht, ist die Strömung sehr turbulent, alsostark verwirbelt. Die Art und Stärke der Turbulenzist dabei sehr vom Untergrund und derWetterlage abhängig. Diese verschiedenen Wirbelkönnen einen großen Einfluss auf die Tragflügelumströmungeines Flugzeuges und damit aufden Strömungsabriss haben. Für Simulationen vonTragflügelumströmgen werden bisher die Turbulenzverhältnissein der Atmosphäre gar nicht odernur sehr unzureichend mittels statistischer Modelleberücksichtigt. Unser Ziel ist daher, realistischereatmosphärische Windfelder für solche Simulationenbereitzustellen. Das Projekt ist Teil der DFG-Forschergruppe “Simulation des Überziehens vonTragflügeln und Triebwerksgondeln” (FOR1066),an der auch industrielle Partner wie Airbus undRolls Royce beteiligt sind. Unsere Projektpartnerbenutzen von uns simulierte Windfelder dannin ihren Modellen, um den Einfluss unterschiedlicheratmosphärischer Turbulenzverhältnisse aufden Strömungsabriss zu ermitteln.Für die Bereitstellung der turbulenten Windfelderwerden zwei verschiedene Methoden angewandt.Die erste Methode nutzt Daten realer eindimensionalerFlugmessungen in der atmosphärischenGrenzschicht und berechnet damit ein dreidimensionalesWindfeld, das die gleichen statistischenEigenschaften besitzt, wie die Atmosphäre zur Zeitder Messungen. Diese Methode ist vergleichsweiseschnell und kann auf eine große Datenbankvon Messungen zurückgreifen. Ihr Nachteil ist jedoch,dass dreidimensionale kohärente Strukturenund geordnete Formationen, die typischerweise inder unteren Atmosphäre auftreten, nicht erzeugtwerden können. Die zweite Methode verwendetGeowissenschaften