Erfolgsgeschichten

Für den Entwurf von künftigen klimafreundlichen Verkehrsflugzeugen sind hochgenaue numerische Simulationswerkzeuge unverzichtbar. Während der Start- und Landephase solcher Flugzeuge werden Klappen an der Flügelvorder- und Hinterkante ausgefahren, um den erreichbaren Auftrieb des Tragflügels im Langsamflug zu erhöhen (Hochauftriebskonfiguration). Dabei entstehen komplexe Strömungsphänomene mit lokalen Ablösungen und Wechselwirkungen mit dem Triebwerk, die mit klassischen numerischen Simulationsansätzen (Turbulenzmodellen) nur schwer zu erfassen sind. Aus diesem Grund werden zunehmend solche Simulationen eingesetzt, die zumindest in den Gebieten besonders komplexer Strömung auf eine aufwendige turbulenzauflösende Large-Eddy Simulation umschalten (hybride RANS/LES).

Mit Hilfe von CARO lässt sich die hybride RANS/LES erstmals für vollständige 3D-Flugzeugkonfigurationen einsetzen, um die Fähigkeiten dieses Ansatzes an industrierelevanten Strömungsfällen zu bewerten und mögliche Weiterentwicklungen abzuleiten. Eine solche Untersuchung fand im Rahmen des internationalen 4. AIAA CFD High Lift Prediction Workshop statt, in dem das im Bild dargestellte NASA Common Research Model in Hochauftriebskonfiguration (CRM-HL) bis hin zu hohen Anstellwinkeln jenseits des Maximalauftriebs simuliert wurde. Dabei konnte gezeigt werden, dass die hochgenaue Auflösung von turbulenten Wirbelstrukturen, die beispielsweise an der Flügelwurzel, am Triebwerk und an der Flügelhinterkante entstehen (siehe Bild), eine deutlich verbesserte Vorhersage von wichtigen aerodynamischen Kenngrößen wie Auftrieb, Widerstand und Nickmoment ermöglicht.

DLR Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik (Braunschweig/Göttingen), 2023

Ein wesentlicher Baustein zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs und damit der CO2-Emissionen eines Flugzeugs ist die Minimierung des Flugwiderstands. Zum Flugwiderstand trägt mit etwa 50% der Reibungswiderstand bei, der durch charakteristische physikalische Effekte in einer sehr dünnen Schicht in der direkten Nähe der Flugzeugoberfläche entsteht. In dieser Grenzschicht gibt es unterschiedliche Strömungstypen, die laminare Strömung sowie die turbulente Strömung. Die laminare Strömung ist sehr ruhig und widerstandsarm, die turbulente Strömung ist sehr unruhig, stark verwirbelt und erzeugt einen hohen Flugwiderstand. Heutzutage haben fast alle Verkehrsflugzeuge ausschließlich turbulente Grenzschichten. Um den Widerstand deutlich zu senken, sollen künftige Verkehrsflugzeuge mit möglichst weit ausgedehnten laminaren Strömungsanteilen entworfen werden. Um dies zu bewerkstelligen, muss man herausfinden, bei welchen Strömungsbedingungen und -zuständen die zunächst laminare Strömung in die turbulente übergeht und in welchen Bereichen der Flugzeugoberfläche dieser laminar-turbulente Übergang (Transition) stattfindet. Zudem muss man wissen, auf welche Weise die Transition erfolgt, denn auch von der Transition gibt es verschiedene Typen.

Um solcherart Vorhersagen zu treffen, hat man physikalische Modelle abgeleitet und in geeigneter Weise mathematisch formuliert, um im Rahmen großer, HPC-gestützter Berechnungen Simulationsergebnisse für die fundamentalen Strömungsgleichungen, die Reynolds-averaged Navier-Stokes-Gleichungen (RANS), zu erzeugen, die auch die Informationen über die Transition beinhalten. Im Ergebnisbild ist die Transitionslinie auf der Oberfläche des NASA Common Research Model with Natural Laminar Flow (CRM-NLF) am Übergang der laminaren Reibungsspannungen (blau) hin zu den turbulenten Reibungsspannungen (orange) im Vergleich zu den gemessenen Transitionslinien (rot, grün) dargestellt. Die gestrichelten, weißen Linien zeigen in vier Flügelschnitten den überaus starken Anstieg der Reibungsspannungen am laminar-turbulenten Übergang.

Die Rechnungen wurden auf dem HPC-Cluster CARO des DLR in Göttingen durchgeführt.

DLR Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik (Braunschweig/Göttingen), 2023