Verbundvorhaben SaFuMa

Semi-aktive Flatterunterdrückung durch aerodynamische Maßnahmen

Die Arbeiten werden im Rahmen des Luftfahrforschungsprogramms Klima VII-1 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Förderkennzeichen: 20E2409B
Bewilligungszeitraum: 1.10.2025 bis 31.5.2028

Ziel des Verbundprojekts:

SaFuMa ist ein Verbundprojekt mit dem übergeordneten Ziel, verschiedene Methoden passive Methoden hinsichtlich des Potentials zur Flatterunterdrückung an hochgestreckten Tragflügeln und Fanrotorschaufeln zu untersuchen und die zugrundeliegenden physikalischen Phänomene besser zu verstehen.

Die Tragflügel von modernen Verkehrsflugzeugen arbeiten im transsonischen Bereich. Obwohl das Flugzeug sich deutlich unterhalb der Schallgeschwindigkeit bewegt, treten durch die Beschleunigung der Strömung am Flügel lokale Bereiche mit Überschallgebieten auf. Zur Maximierung der aerodynamischen Güte weisen die Flügel von modernen Verkehrsflugzeugen immer höhere Spannweiten und Streckungen auf. Dadurch lässt sich der Widerstand und damit auch der Treibstoffverbrauch reduzieren, allerdings verringert sich durch die größere Spannweite des Tragflügels seine Biegesteifigkeit. Die transsonische Umströmung kann zusammen mit den immer biegeweicheren Flügeln dazu führen, dass bereits durch eine kleine Störung (wie durch eine Windböe oder durch das Erhöhen der Fluggeschwindigkeit) ein kritischer Zustand auftritt, der als Flattern bezeichnet wird. Die aerodynamischen Kräfte deformieren dabei den Flügel so, dass sich die Umströmung ändert. Die veränderte Umströmung wirkt sich wiederum auf die Luftkräfte aus, sodass ein selbsterregtes schwingendes System entstehen kann. Eine Verstärkung der Flügelstruktur wirkt diesem Effekt entgegen, führt aber auch zwangsläufig zu einer größeren Masse. Bei den Rotorschaufeln von modernen Turbofans mit hohem Nebenstromverhältnis, deren Durchmesser und Umfangsgeschwindigkeiten immer weiter steigen, kann der gleiche Effekt auftreten. Insbesondere die Rotationssymmetrie der Schaufelanordnungen ist hierbei sowohl für die Aerodynamik als auch für die Struktur interessant.

Für Tragflügel mit hoher Streckung und für zukünftige Triebwerksgenerationen ist es deshalb notwendig, die im Grenzbereich auftretenden aeroelastischen Phänomene zu beherrschen. Die Universität Stuttgart, die TU Berlin, die TU Braunschweig, die TU München, die RWTH Aachen, die Universität der Bundeswehr München sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt untersuchen gemeinsam sowohl numerisch als auch experimentell verschiedene Maßnahmen, um die Luftfahrt umweltfreundlicher zu machen und die Flugbereichsgrenzen zukünftiger Verkehrsflugzeuge zu erweitern.

Forschung im Verbundprojekt:

Flattern ist ein komplexes aeroelastisches Phänomen, das durch nichtlineare Effekte gekennzeichnet ist. Sowohl am Tragflügel als auch am Fanrotor muss ein tiefes Verständnis für die aerodynamischen Effekte und die strukturelastischen Effekte sowie die Interaktion dieser beiden Disziplinen vorhanden sein. Bei experimentellen Untersuchungen müssen im Windkanal nicht nur die Strömungsgrößen, sondern auch die zeitabhängigen Verformungen und Auslenkungen des Modells korrekt erfasst werden. Außerdem muss sichergestellt werden, dass das untersuchte Modell repräsentativ für den untersuchten Anwendungsfall ist, und nicht etwa durch Skalierungs- oder Windkanaleffekte beeinflusst wird. Für zeitaufgelöste numerische Untersuchungen muss ein Fluid-Solver (CFD) mit einem Strukturmodell gekoppelt werden. Da diese Kopplung die Komplexität und auch den Rechenaufwand stark erhöht, kann als Näherung eine linearisierte Systembetrachtung auf Basis der aerodynamischen Reaktion auf eine Geometriedeformation durchgeführt werden. Jede Methode unterliegt dabei eigenen Annahmen und Vereinfachungen. Die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze werden zum Vergleich und zur Validierung untereinander genutzt.

Die Universität Stuttgart, die RWTH Aachen und die TU Berlin untersuchen das Potential zur Verschiebung der Flattergrenze durch Bumps, die auf die Oberfläche des Tragflügels oder des Fanrotors aufgesetzt werden. Mit diesen lokalen Konturbeulen auf der Flügeloberseite ist es möglich, die Stoßcharakteristik im transsonischen Bereich und damit auch die Druckverteilung des Flügels bzw. der Rotorschaufel zu beeinflussen. Diese veränderte Druckverteilung wirkt sich direkt auf das System auf das Fluid-Struktur-System aus. Aufgrund von Vorarbeiten der Projektpartner mit Bumps ist davon auszugehen, dass sich so die Grenzen des Betriebsbereichs zu höheren Geschwindigkeiten und Anstellwinkeln verschieben lassen. Für den Tragflügel werden dabei in SaFuMa das OAT15A-Profil (bekannt für die Untersuchungen zum verwandten Phänomen des Buffets) und die DLR-F25-Konfiguration betrachtet. Für den Fanrotor werden NACA-Profile und die NASA Rotor 67 – Konfiguration genutzt. Bei den numerischen Untersuchungen werden sowohl RANS-Rechnungen als auch skalenauflösende Simulationen verwendet. Parallel dazu werden Windkanalexperimente durchgeführt, um die Ergebnisse zu validieren.

Die TU München verfolgt zusammen mit der Universität der Bundeswehr München den Ansatz, mit bereits vorhandenen Steuerflächen die Flattereigenschaften des Tragflügels zu verbessern. Durch gezielte Klappenausschläge der Spoiler und Flügelhinterkantenklappen ist es ebenfalls möglich, die Stoßcharakteristik auf der Flügeloberseite zu beeinflussen. Ähnlich zur Wirkung der Bumps soll so eine Flügelgeometrie entstehen, deren Flattergrenze höher liegt als die des Referenzflügels. Es werden sowohl numerische Simulationen als auch Experimente im Windkanal durchgeführt.

Das Institut für Aeroelastik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt nimmt dabei eine zentrale Rolle im Bereich der Flatteranalyse ein. Zusammen mit den Ergebnissen der anderen Projektpartner werden mithilfe von linearisierten Betrachtungen und modalen Strukturmodellen die Aerodynamik und die Strukturelastizität zusammengeführt, um Aussagen über die Flattereigenschaften des Gesamtsystems treffen zu können.

Mehrere industrielle Partner unterstützen SaFuMa mit ihren langjährigen Erfahrungen und ihrem Bezug zur industriellen Praxis und stehen zur Beratung zur Verfügung.

Einzelvorhabenbeschreibung:

RWTH Numerisches Teilprojekt:

In einem numerischen Teilprojekt wird die passive Flatterunterdrückung durch fluidische und geometrische Shock Control Bumps (SCBs) mittels hochauflösender numerischer Methoden untersucht. Dazu wird Einfluss der SCBs auf das die Stoß/Grenzschicht-Interaktion, das stoßinduzierte Ablöseverhalten und die resultierenden Luftkräfte analysiert, die für das Flatterverhalten maßgeblich sind. Zunächst werden wandaufgelöste und wandmodellierte Large-Eddy Simulationen (LES) des OAT15A-Profils mit ausgewählten SCB-Konfigurationen durchgeführt. Die zu untersuchenden SCBs sowie die entsprechenden Freistrombedingungen werden in Kooperation mit den Projektpartnern ausgewählt. Ergänzt wird dies durch Simulationen aufgeprägten Schwingungen. Aus den Ergebnissen dieser Simulation wird eine Bewertung der Effektivität und Effizienz der untersuchten SCB-Konfigurationen abgeleitet. Außerdem werden die Daten den Projektpartnern zur gegenseitigen Validierung von Simulations- und Messergebnissen zur Verfügung gestellt. Im nächsten Schritt wird der Einfluss ausgewählter SCBs auf die Flattereigenschaften eines hochstreckten Flügels erweitert. Dazu werden wandmodellierte LES der DLR F25 in starrer Konfiguration und unter aufgeprägten Schwingungen durchgeführt.

RWTH Experimente:

In ergänzenden Untersuchungen im Trisonikkanal des AIA wird die Flatterkontrollwirkung fluidischer und geometrischer SCBs von experimenteller Seite aus untersucht. Es werden zunächst Windkanalexperimente an einem starren Profil mit und ohne SCBs durchgeführt. Die daraus gewonnen Daten dienen auch den Projektpartnern zur Validierung der numerischen Methode. Ferner werden dem im Kanal untersuchten Profil zusätzlich Schwingungen aufgeprägt. Ergänzt werden diese Untersuchungen um Experimente an einem gepfeilten 3D-Flügel.

RWTH Numerisches Teilprojekt + Experimente:

Schließlich werden experimentelle und numerische Ergebnisse zusammengeführt, um die aerodynamischen Auswirkungen der SCBs und ihren Einfluss auf die Flattergrenze zu bewerten.

Team

• Univ.-Prof. Dr. sc. Dominik Krug, +49 241 80-95410, d.krug[a⁤t]aia.rwth-aachen.de
• Dr.-Ing. Matthias Meinke, +49 241 80 95328, m.meinke[a⁤t]aia.rwth-aachen.de

Projektpartner

RWTH Aachen: Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Aerodynamisches Institut

TU München: Institut für Aerodynamik und Strömungsmechanik

TU Berlin: Institut für Luft- und Raumfahrt

Universität der Bundeswehr München: Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.: Institut für Aeroelastik

Antragsteller/Innen SaFuMa

Universität Stuttgart:

• Dr.-Ing. Thorsten Lutz, +49 711 685 63406, lutz@iag.uni-stuttgart.de
• Prof. Dr.-Ing. Andrea Beck, +49 711 685 60218, beck@iag.uni-stuttgart.de

RWTH Aachen:

• Univ.-Prof. Dr. sc. Dominik Krug, +49 241 80-95410, d.krug[a⁤t]aia.rwth-aachen.de
• Dr.-Ing. Matthias Meinke, +49 241 80 95328, m.meinke[a⁤t]aia.rwth-aachen.de

HS München (assoziiert):

• Prof. Dr.-Ing. Anne-Marie Schreyer, +49 89 1265-4492, anne-marie.schreyer@hm.edu

TU München:

• Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Breitsamter, +49 (89) 289 – 16137, christian.breitsamter@tum.de

TU Berlin:

• Prof. Dr.-Ing. Dieter Peitsch, +49 30 314 22878, dieter.peitsch@tu-berlin.de

Universität der Bundeswehr München:

• PD Dr. rer. nat. habil. Sven Scharnowski, +49 89 6004-2273, sven.scharnowski@unibw.de

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.:

• Prof. Dr.-Ing. Lorenz Tichy, +49 551 709 2341, lorenz.tichy@dlr.de
• Jens Nitzsche, 0551 / 709 2375, jens.nitzsche@dlr.de