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Aeroelastic Gust Modelling

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Angenehmes Fliegen in turbulenter Luft

Die Konstruktion leichterer Flugzeuge verspricht, die CO2-Bilanz der Luftfahrt zu verringern, sie müssen jedoch stark genug sein, um Windböen standzuhalten. EU-finanzierte Forscher haben virtuelle Modelle mit beispielloser Genauigkeit entwickelt, um diese Belastungen schnell vorherzusagen, wodurch radikal neue Flugzeugkonstruktionen konzipiert werden können.

Verkehr und Mobilität

Aufgrund des Klimawandels ist der Luftverkehr immer häufiger mit Turbulenzen konfrontiert. Selbst schwache Turbulenzen verursachen schon Unannehmlichkeiten und Verletzungen bei Flugbegleitern, aber die Piloten können wenig tun, um das Fliegen weniger holprig zu gestalten. Turbulenzen in klarer Luft sind für das bloße Auge nicht sichtbar und können auch per Radar nicht erkannt werden. Leichtere Flugzeuge werden weniger Treibstoff verbrauchen und weniger schädliche CO2-Emissionen ausstoßen, aber können sie das Fliegen auch angenehmer machen? Um dieses Problem anzugehen, benötigen die Entwickler bessere Werkzeuge, damit sie dynamische Belastungen besser vorausberechnen und ihre Konstruktion optimieren können. Forscher initiierten das EU-finanzierte Projekt AEROGUST, um gründlich zu untersuchen, wie sich Böen auf Flugzeuge auswirken. Ein besseres Verständnis des Zusammentreffens mit Böen wird zu leichteren Konstruktionen führen, bei denen potentiell zu konservative Sicherheitsmargen reduziert werden können. Reduzierter Bedarf an Windkanaltests „Die Entwicklung neuer Methoden für die Berechnung atmosphärischer Turbulenzen ist von größter Bedeutung für die Konstruktion und die Zertifizierung von Flugzeugen und Windturbinen“, sagt Dr. Ann Gaitonde, gemeinsame wissenschaftliche Koordinatorin von AEROGUST. In beiden Fällen können kurze Windböen beträchtliche Belastungen auf die Flugwerke darstellen. Um sichere Flugwerke zu bauen, ist es wichtig, zu wissen, wie stark diese Belastungen im schlimmsten Fall sein können. Dadurch können Hersteller von Flugzeugen und Windturbinen herausfinden, wie fest die kritischen Teile der Konstruktionen sein müssen, um den maximalen Belastungen standzuhalten, die während eines Flugs bzw. beim Betrieb auftreten können. „Zurzeit werden die meisten experimentellen Daten bezüglich Böen im Rahmen von aufwendigen Windkanaltests sehr spät im Konstruktionsprozess erhoben, wenn die Entwurfsoptionen bereits eingeschränkt sind“, fügt Dr. Gaitonde hinzu. Das macht es schwierig, Anpassungen in der Konstruktion aerodynamischer Oberflächen schnell zu beurteilen. Außerdem gibt es weltweit nur wenige Windkanalanlagen, auf denen die Bedingungen für ein Flugzeug in voller Größe im Flug exakt reproduziert werden können. Wenn vor den Tests genauere Entwürfe von Flugzeugmodellen zur Verfügung stehen, wird die Notwendigkeit reduziert, nach den Windkanaltests Änderungen an neuen Modellen vornehmen zu müssen. Dies spart nicht nur Geld und Zeit, sondern ermöglicht auch, dass Konfigurationen neuer Modelle, einschließlich des Einsatzes flexiblerer Materialien, erkundet werden können. Herausfordernde aktuelle Praktiken Numerische Strömungssimulation ermöglicht Hochleistungsrechnen für moderne Flugzeugkonstruktionen. Durch numerische Analyse- und Datenstrukturen werden extrem genaue virtuelle Modelle entwickelt, die auf unvergleichliche Weise aufzeigen, was genau mit der Luftströmung rund um das Flugzeug passiert. Allerdings ist die numerische Strömungssimulation für alle benötigten Böensimulationen zu teuer. Bis heute haben Forscher Auswirkungen von Böen auf Flugzeuge mit einfacheren linearen und ungleichförmigen Methoden und gleichförmigen experimentellen Strömungsdaten modelliert. Das AEROGUST-Team verwendete ungleichförmige Daten aus numerischer Strömungssimulation zur Verbesserung der Böensimulationen und ordnungsreduzierte Modelle, um die Berechnungskosten für auf numerischer Strömungssimulation basierenden Simulationen der Belastungen durch Böen zu reduzieren. Die Einbeziehung struktureller und aerodynamischer nicht linearer Effekte in diese Modelle ermöglicht flexible und innovative Strukturen. Die im Rahmen von AEROGUST entwickelten verbesserten Simulationstechniken sollten zur Konzeptionalisierung neuartiger Entwürfe und Konfigurationen beitragen und die Entwicklung umweltfreundlicherer Flugzeuge ermöglichen. Darüber hinaus sollten sie den Bedarf an aufwändigen Windkanaltests reduzieren sowie Zeit und Kosten in der Entwurfsphase vor dem Bau physischer Prototypen sparen. So wird gewährleistet, dass die europäische Flugzeugindustrie auch in Zukunft wettbewerbsfähig bleibt. „Wenn wir die Auswirkungen von Böen auf Windturbinen genauer vorausberechnen können, könnten die Anlagen in Regionen mit größeren Herausforderungen, wie zum Beispiel am Polarkreis und in den Tropen, installiert werden“, folgert Dr. Dorian Jones, gemeinsamer wissenschaftlicher Koordinator von AEROGUST.

Schlüsselbegriffe

AEROGUST, Entwurf, Bö, Flugzeug, Windkanal, Windturbine, numerische Strömungssimulation, numerische Simulation, ordnungsreduzierte Modelle, nicht linear

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