Strömungsdiagnostikwerkzeuge im Dienste des umweltfreundlichen Luftverkehrs
In seiner Vision 2020 hat sich der Rat für Luft- und Raumfahrtforschung und Innovation in Europa (Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe, ACARE) ehrgeizige Ziele in Bezug auf die Reduzierung der Emissionen und der Lärmstärke gestellt. Ziele dieser Art geben die Notwendigkeit maßgeblicher Verbesserungen in der Aerodynamik und im Antriebssystemkonzept von Flugzeugen vor. Diese wiederum erfordern moderne Überwachungsinstrumente für Strömungsphänomene, die komplexe Prozesse wie Verbrennung und Aeroakustik einbeziehen. So initiierten Wissenschaftler das EU-finanzierte Projekt "Advanced flow diagnostics for aeronautical research" (AFDAR), um Strömungsdiagnosewerkzeuge zur Unterstützung der Luftfahrtindustrie zu entwickeln und zu bewerten. AFDAR trug wesentlich zur Entwicklung der bildgebenden, berührungsfreien Messverfahren zur künftigen Flugzeugentwicklung und Windkanalcharakterisierung bei. Das Projektteam konzentrierte sich insbesondere auf die Teilchenbildgeschwingkeitsmessung (Particle Image Velocimetry, PIV), um das Strömungsfeld rund um die Flugzeugflügel zu messen und ein tieferes Verständnis für die Herausforderungen in der Aerodynamik zu gewinnen. Damit konnten dreidimensionale Volumenmessungen über Flügel und Tragflächen vorgenommen sowie zusätzlich genaue Messungen und aerodynamische Analysen mit Kilohertz-Messsystemen wesentlich schneller realisiert werden. Das Projektteam arbeitete außerdem daran, unter Einsatz von weitreichender Mikro-PIV tiefergehenderes Wissen über die Turbulenzphysik in der Aerodynamik bei radikal höherer Auflösung (Größenordnungen) zu generieren. Neben Verbesserungen an der Flugzeugkonstruktion und den Antriebssystemen trugen die neuen Technologien zur Bestimmung von Lärmemissionen und Optimierung der Verbrennungsprozesse im Sinne eines niedrigeren Kohlendioxidausstoßes bei. Die Wissenschaftler führten hochauflösende Analysen von Strömungen an gepfeilten Tragflügeln mit laminarer Abtrennung und Übergang, transsonischen Turbinenkaskaden und Brennkammern mit extrem niedriger Stickoxidemission durch. Man brachte überdies die Strömungsdiagnostik der Aerodynamik und Aeroakustik von Tragflächen mit Hochauftriebssystemen voran. Die zu Hochauftriebsströmungen rund um ein Drei-Elemente-Tragflügelbauform ausgeführten Experimente sollen als Referenz zur Verbesserung der Strömungsberechnungssimulationen (numerische Strömungsmechanik, Computational Fluid Dynamics, CFD) für Hochauftriebssysteme dienen. Die in AFDAR demonstrierten experimentellen Ansätze kombinierten Strömungsanalyse sowie die Kartierung thermischer und chemischer Spezies, die wesentlich für das Verständnis und die Optimierung des Verbrennungsprozesses sind. Die Kombination aus modernen PIV-Verfahren für die Tragfläche und aeroakustischen Turbomaschinenanalysen ergab nützliche experimentelle Datenbanken. So werden die Konstrukteure die Effizienz verbessern und die aerodynamischen Lärmquellen reduzieren können. Die Projektarbeit soll dazu beitragen, zukünftigen Luftverkehrstechnologien den Weg zu bereiten und somit eine Vielzahl von Vorteilen wie etwa schnellere, sicherere, umweltfreundlichere und möglicherweise kostengünstigere Flugzeuge zu realisieren.
Schlüsselbegriffe
Strömungsdiagnostikwerkzeuge, Luftverkehr, Antrieb, Schub, flugtechnisch, Particle Image Velocimetry, Teilchenbildgeschwingkeitsmessung
