Energieeffizientere Flugzeuge mit besserer Strömungskontrolle
Die Emissionen aus der Luftfahrt gehören zu den am schnellsten wachsenden Quellen von Treibhausgasen. Da die Nachfrage der Flugreisenden weiter steigt, sind innovative Lösungen, die Flugzeuge umweltfreundlicher machen, von entscheidender Bedeutung für das Erreichen der Klimaneutralität. Die Optimierung der aerodynamischen Leistung kann einen wichtigen Beitrag zur Senkung des Energieverbrauchs von Flugzeugen leisten und gleichzeitig ihre Stabilität verbessern sowie den Lärmpegel senken. Fluid Die (Strömungskontrolle) ist in diesem Zusammenhang ein wichtiger Forschungsschwerpunkt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts PERSEUS wurde nun eine Methode entwickelt, mit der die Konstruktion einer Vorrichtung zur Kontrolle der Luftströmung optimiert wird, um die sogenannte Strömungsablösung zu verringern. Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich die Luftströmung von der Oberfläche des Flugzeugs „ablöst“, was die Leistung beeinträchtigt. „Es gibt eine Reihe von Situationen, in denen das Auftreten einer Strömungsablösung beobachtet wird“, sagt Nicolas Mazellier, Professor für Strömungsmechanik an der Universität Orléans, dem Träger des Projekts. „Sie tritt bei Flugmanövern wie Start und Landung auf, aber auch dort, wo Hindernisse die Strömung stören, zum Beispiel an der Verbindung zwischen Tragfläche und Rumpf.“ Durch die Strömungsablösung entstehen Turbulenzbereiche, die Vibrationen und Lärm erzeugen, die Emissionen erhöhen und zu Instabilitäten führen können. In extremen Fällen kann sie die Fähigkeit der Pilotin oder des Piloten zur Steuerung des Flugzeugs beeinträchtigen: „Ein Strömungsabriss ist eine der dramatischsten Folgen von massiven Ablösungen“, erklärt Mazellier.
Mehr Effizienz durch aktive Kontrolle
Das PERSEUS-Team wählte einen neuartigen Ansatz für die Lösung dieses Problems. Es entwickelte eine Methodik, die die Probleme an der Verbindung zwischen Tragfläche und Rumpf als Ausgangspunkt nimmt und die Gleichungen der Strömungsmechanik verwendet, um den Entwurf eines optimierten strömungstechnischen Stellantriebs zur Strömungskontrolle zu bestimmen. Solche Stellantriebe werden in Flugzeugen eingesetzt, um die Luftströmung in einer Vielzahl von Situationen zu beeinflussen. Die von Mazelliers Team entwickelten gepulsten Düsenstellantriebe erzeugen schnelle Luftstrahlen, um die Auswirkungen von Strömungsablösungen zu verringern und dabei so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen. „Die sogenannte aktive Kontrolle ermöglicht es, die Strömung nur dann zu regeln, wenn es notwendig ist, um eine hohe Wirkung bei geringsten Energiekosten zu erzielen“, erklärt Mazellier. Dies sei eine echte Herausforderung, fügt er hinzu: Die bestehenden Systeme seien zwar aus aerodynamischer Sicht effektiv, aber sie seien auch sehr schwer und ließen sich nur schwer manövrieren.
Nettoenergiegewinne von bis zu 20 %
Die im Rahmen des PERSEUS-Projekts genutzten gepulsten Düsenstellantriebe könnten einige dieser Mängel beseitigen. Durch die Zusammenführung von Know-how in den Bereichen Mikromechanik, Mikrofluidik und nummerische High-Fidelity-Simulation konnte das Team eine der ersten nummerischen High-Fidelity-Berechnungen der internen Strömung eines Stellantriebs durchführen. „Bei der Bewältigung dieser großen wissenschaftlichen Herausforderung haben wir viel über die Physik des Schaltvorgangs gelernt, der den Ausgangspunkt für den bistabilen Charakter der von uns entwickelten gepulsten Düsenstellantriebe ist“, so Mazellier. Die nummerische Modellierung wurde mit Windkanaltests kombiniert, um die interne Konstruktion der Stellantriebe zu optimieren. Da sie keine mechanischen Teile enthalten, sind sie äußerst zuverlässig. Tests haben die hohe Effizienz der Kontrollstrategie bei niedrigen Betriebskosten gezeigt, mit potenziellen Nettoenergiegewinnen von bis zu 20 % in den kritischen Phasen kurz vor einem Strömungsabriss.
Der Nutzen ist praktisch unbegrenzt
Um die PERSEUS-Innovationen auf den Markt zu bringen, sind noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die im Labor entwickelten Instrumente hochzuskalieren und sie für den Einsatz im industriellen Maßstab vorzubereiten. Die Methode von PERSEUS kann nicht nur zur Lösung eines Problems in der Luftfahrt beitragen, sondern auch außerhalb dieses Sektors Anwendung finden. Die damit möglichen Optimierungstechniken sind vielversprechend, um den Energieverbrauch in anderen Bereichen wie in Heiz- und Kühlsystemen zu senken.
Schlüsselbegriffe
PERSEUS, Aerodynamik, Strömungskontrolle, Strömungsablösung, strömungstechnischer Stellantrieb, gepulster Düsenstellantrieb, Luftfahrtemissionen, Turbulenz
