H. Spark, R. Luckner

Eine Möglichkeit den Treibstoffverbrauch zu senken besteht darin, das Aufwindfeld von Wirbelschleppen vorausfliegender Flugzeuge auszunutzen. Dieses Prinzip machen sich Zugvögel im Formationsflug zunutze. Für Piloten ist der manuelle Formationsflug im treibstoffsparenden Optimalpunkt zu arbeitintensiv. Diese Aufgabe muss ein Flugregler übernehmen. Die Auslegung eines solchen Formationsflugreglers erfordert ein Wirbelschleppensimulationsmodell, welches die von der Wirbelschleppe induzierten Windfelder berechnet. In diesem Beitrag werden zwei verschiedene Wirbelschleppensimulationsmodelle für das Szenario eines stationären Horizontalflugs verglichen und anhand des Ergebnisses des etablierten Stangenwirbelmodells beurteilt. Die zu vergleichenden Simulationsmodelle nutzen einerseits die Prandtlsche Traglinientheorie (engl.: Lifting Line Method, LLM) und andererseits eine instationäre Wirbelgittermethode (engl.: Vortex Lattice Method, VLM). Beide Methoden basieren auf der Lagrangeschen Betrachtungsweise der Bewegung von Fluidteilchen, bei der einzelne Fluidteilchen an vordefinierten Tragflächenpositionen in die Nachlaufströmung übergeben werden und sich dort frei bewegen können. Die Bewegung der Fluidteilchen im Nachlauf führt zur Bildung von Streichlinien. Die Streichlinien werden durch abschnittsweise gerade Wirbelfilamente approximiert. Die Wirbelstärke der Wirbelschleppe wird durch Zirkulationswerte der Wirbelfilamente diskretisiert. Aus den Lage der Wirbelfilamente und ihrer Zirkulation kann das Windfeld der Wirbelschleppe berechnet werden. Die LLM-Simulation basiert auf stärker vereinfachten Annahmen als die VLM. Die Gegenüberstellung beider Modelle leistet einen Beitrag, Modellierungsfehler zu untersuchen, welche durch diese Vereinfachungen entstehen können. Der Vergleich zeigt auch, dass die Ergebnisse beider Berechnungsmethoden in Bezug auf die Wirbelfilamentpositionen und Windfelder bei identischen Parametern ähnlich sind. Die in der LLM umgesetzten Vereinfachungen führen zu einer mit der VLM vergleichbaren Wirbelschleppenberechnung im Falle eines stationären Horizontalfluges. Die Abhängigkeit der Verfahren von ihren Parametern und die Konvergenz hin zu feineren Parametern wird untersucht. Daraus werden Empfehlungen für Parameterwerte abgeleitet.

One way to reduce fuel consumption is to utilize the updraft field created by the wake vortices of preceding aircraft. Migratory birds exploit this principle in formation flight. For pilots, manual formation flying at the fuel-saving optimum point is too labor-intensive. This task must be taken over by a flight controller. Designing such a formation flight controller requires a wake vortex simulation model that calculates the wind fields induced by the wake vortex. This paper compares two different wake vortex simulation models for the scenario of steady-state horizontal flight and evaluates them based on the results of the established rod vortex model. The simulation models being compared utilize, on the one hand, Prandtl's lifting line theory (LLM) and, on the other hand, an unsteady vortex lattice method (VLM). Both methods are based on the Lagrange view of fluid particle motion, in which individual fluid particles are transferred into the wake flow at predefined wing positions and can move freely there. The movement of fluid particles in the wake leads to the formation of streak lines. These streak lines are approximated by sectionwise straight vortex filaments. The vortex strength of the wake is discretized by the circulation values of the vortex filaments. The wind field of the wake can be calculated from the position of the vortex filaments and their circulation. The LLM simulation is based on more simplified assumptions than the VLM. Comparing the two models helps to investigate modeling errors that can arise from these simplifications. The comparison also shows that the results of both calculation methods are similar with respect to the vortex filament positions and wind fields when parameters are identical. The simplifications implemented in the LLM lead to a wake vortex calculation comparable to the VLM in the case of steady horizontal flight. The dependence of the methods on their parameters and the convergence towards finer parameters are investigated. Recommendations for parameter values are derived from this.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2020

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2020

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 13 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2020110612451301978379

10.25967/530245

Wirbelschleppen, Formationsflug

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Spark, H.; Luckner, R. (2020): Vergleich von Wirbelschleppensimulationen für treibstoffsparenden Formationsflug . Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/530245. urn:nbn:de:101:1-2020110612451301978379.

06.11.2020