K. Loftfield, R. Luckner

In konventionellen Echtzeit-Flugsimulationen werden in der Regel einfache Annahmen für die Bestimmung aerodynamischer Kräfte und Momente getroffen. So werden statt aus einer detaillierten Druckverteilung über dem Flügel häufig diskrete resultierende Kräfte und Momente aus aerodynamischen Beiwerten berechnet, die aus Windkanalversuchen stammen und in Tabellen abgelegt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Rechenzeit für die Simulation erheblich reduziert wird. Ein Nachteil ist, dass lokale und zum Teil instationäre Effekte nicht abgebildet werden können. Ein solcher Effekt ist die Strömungsablösung am Flügel und der Einfluss der abgelösten Strömung auf die Wirksamkeit von Höhenleitwerk und Höhenruder. Solche instationären Strömungen lassen sich mit den Navier-Stokes-Gleichungen modellieren. Da bis heute keine vollständige analytische Lösung dieser partiellen Differentialgleichungen bekannt ist, werden sie numerisch gelöst. Dies geschieht zum Beispiel mittels der Direkten Numerischen Simulation (DNS) oder mit Hilfe von Turbulenzmodellen, wie den Reynolds-Gleichungen und der Large Eddy Simulation. Da der Aufwand für die Berechnung von Lösungen mit den angegebenen Modellen sehr hoch ist, können sie nicht für flugmechanische Simulationen genutzt werden, die echtzeitfähig sein sollen. In diesem Beitrag wird ein einfaches Modell vorgestellt, das den Einfluss der abgelösten Strömung eines Flügels auf die Wirksamkeit von Höhenleitwerk und Höhenruder an zweidimensionalen Profilen nachbildet. Dafür wird ein instationäres auf potentialtheoretischen Panel-Methoden basierendes Verfahren aufgebaut, welches die Strömungsablösung am Flügel modelliert. Teil dieses Modells sind abgehende Potentialwirbel, deren Zirkulation entsprechend der Helmholtzschen Wirbelsätze berechnet wird. Die abgehenden Wirbel beeinflussen die Druckverteilung und damit die Kräfte und Momente am Höhenleitwerk. Im Rahmen einer vereinfachten flugmechanischen Simulation wird dieser Einfluss auf die Flugzeug-Längsbewegung beim Übergang in den Zustand abgelöster Strömung untersucht.

Conventional real-time flight simulations typically rely on simple assumptions for determining aerodynamic forces and moments. Instead of using a detailed pressure distribution over the wing, discrete resulting forces and moments are often calculated from aerodynamic coefficients derived from wind tunnel tests and stored in tables. This has the advantage of significantly reducing simulation time. A disadvantage, however, is that local and sometimes unsteady effects cannot be represented. One such effect is flow separation at the wing and the influence of the separated flow on the effectiveness of the horizontal stabilizer and elevator. These unsteady flows can be modeled using the Navier-Stokes equations. Since a complete analytical solution to these partial differential equations is not yet known, they are solved numerically. This is done, for example, using Direct Numerical Simulation (DNS) or with the help of turbulence models such as the Reynolds equations and Large Eddy Simulation. Since the computational effort required to find solutions with the specified models is very high, they cannot be used for real-time flight mechanics simulations. This paper presents a simple model that simulates the influence of wing separation on the effectiveness of the horizontal stabilizer and elevator on two-dimensional airfoils. For this purpose, an unsteady method based on potential-theoretic panel methods is developed, which models the flow separation on the wing. Part of this model are outgoing potential vortices, whose circulation is calculated according to Helmholtz's vortex theorems. The outgoing vortices influence the pressure distribution and thus the forces and moments on the horizontal stabilizer. Within the framework of a simplified flight mechanics simulation, this influence on the aircraft's longitudinal motion during the transition to the state of flow separation is investigated.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015, Rostock

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2016

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 8 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201604011505

Simulation, Strömungsablösung

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01.04.2016