Untersuchung der Stabilität des Wirbelnachlaufs eines Rechteckflügels mit voreingestellten Rudern

In den vergangenen Jahrzehnten ist das Luftverkehrsaufkommen bestandig angestiegen.
Trotz des Einbruchs in den letzten Jahren wird fur die Zukunft von einer
Fortsetzung des Wachstums ausgegangen. Die folgende Abbildung zeigt die bisherige
und prognostizierte Entwicklung des weltweiten Personen-Luftverkehrsaufkommens in
Passagierkilometern (Revenue Passenger-Kilometres – RPK). Nach [1] liegt die durchschnittliche
jahrliche Wachstumsrate in den nachsten 20 Jahren bei uber 5 Prozent.
Fur den Frachtverkehr wird im selben Zeitraum ein durchschnittliches Wachstum von
uber 6 Prozent erwartet. Allerdings operieren nahezu alle groseren deutschen und europaischen Flughafen zumindest
wahrend der taglichen Spitzenzeiten an ihrer Kapazitatsgrenze. Das limitierende
Element ist hierbei in den meisten Fallen die Kapazitat des Start- und Landebahnsystems.
Diesbezugliche Erweiterungen stosen jedoch aufgrund von Larm-,
Umwelt- und Sicherheitsproblemen auf zunehmenden Widerstand, was zu langwierigen
Genehmigungsverfahren und hohen Kosten fuhrt. Daher besteht ein groses
Interesse an der Optimierung des bestehenden Bahnsystems. Dessen Kapazitat ergibt
sich neben der Anzahl der Bahnen, deren Lage und den angewendeten Verfahren insbesondere
durch den zeitlichen Abstand an- und abfliegender Flugzeuge. Der
Mindestabstand zweier aufeinander folgender Flugzeuge ist durch internationale
Bestimmungen festgelegt. Dieser als raumliche Separation definierte Abstand ergibt
sich aus Sicherheitsgrunden: Von voraus fliegenden Flugzeugen generierte Wirbelschleppen induzieren auf nachfolgende
Flugzeuge Rollmomente. Gerade in der Start- und Landephase konnen diese
Rollmomentbelastungen aufgrund der geringen Flughohe zum Absturz eines
Folgeflugzeuges fuhren, wenn sie nicht durch den maximalen Querruderausschlag
ausgeglichen werden konnen oder dem Piloten nicht genugend Reaktionszeit zum
Gegensteuern bleibt. [...]

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
  • 1.1 Ausgangslage
  • 1.2 Lösungsansätze
  • 1.3 Ziel der Arbeit und Vorgehensweise
• 2 Theoretischer Hintergrund
  • 2.1 Wirbelbildung im Nachlauf von Flügeln
  • 2.2 Gefährdung folgender Flugzeuge durch den Wirbelnachlauf
  • 2.3 Elementare Größen wirbelbehafteter Strömungen
    • 2.3.1 Zirkulation
    • 2.3.2 Drehung und Rotation
  • 2.4 Wirbelmodelle
    • 2.4.1 Einleitung
    • 2.4.2 Der Potentialwirbel
    • 2.4.3 Der Rankine-Wirbel
    • 2.4.4 Der Lamb-Oseen-Wirbel
  • 2.5 Stabilitätsanalyse
    • 2.5.1 Einleitung
    • 2.5.2 Modell des Wirbelsystems
    • 2.5.3 Herleitung der Stabilitätsgleichungen
    • 2.5.4 Lösung der Stabilitätsgleichungen
    • 2.5.5 Formen der Instabilität
• 3 Versuchsmethodik
  • 3.1 Angewendetes Verfahren
  • 3.2 Particle Image Velocimetry
  • 3.3 Versuchsaufbau
    • 3.3.1 Wasserschleppkanal
    • 3.3.2 Modell
  • 3.4 Versuchsdurchführung
    • 3.4.1 Anzahl der Versuche
    • 3.4.2 Ablauf der Versuche
      • 3.4.2.1 Experimente zur Particle Image Velocimetry
      • 3.4.2.2 Experimente zur Strömungssichtbarmachung
    • 3.4.3 Versuchsparameter
• 4 Aufbereitung der Rohdaten
  • 4.1 Vorgehen
    • 4.1.1 Generierung der Geschwindigkeitsvektorfelder
    • 4.1.2 Umstrukturierung zur Weiterverarbeitung
  • 4.2 Qualität der Daten
• 5 Referenzfall
• 6 Auswertung der Messergebnisse
  • 6.1 Datenbasis
  • 6.2 Abstand der Messebenen von der Flügelhinterkante
  • 6.3 Bestimmung der Rotationsverteilung
  • 6.4 Schwertstörung
  • 6.5 Nullpunktkorrektur
  • 6.6 Auftriebsbeiwert
  • 6.7 Identifikation der Wirbelparameter
    • 6.7.1 Wirbelschwerpunkt
    • 6.7.2 Modellierung des Wirbelsystems
    • 6.7.3 Trajektorien der Wirbelzentren
    • 6.7.4 Wirbelkernradius
    • 6.7.5 Zirkulation
  • 6.8 Rollmoment
  • 6.9 Axialgeschwindigkeit
  • 6.10 Beeinflussung durch äußere Faktoren
    • 6.10.1 Einleitung
    • 6.10.2 Boden- und Wandeffekte
    • 6.10.3 Beschleunigungs- und Abbremsvorgang des Schlittens
  • 6.11 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse
    • 6.11.1 Einleitung
    • 6.11.2 Qualität von Messung und Auswertung
    • 6.11.3 Qualität des Strömungsbildes
• 7 Stabilitätsanalyse
  • 7.1 Eingangsdaten
  • 7.2 Ergebnisse der Stabilitätsanalyse
• 8 Strömungssichtbarmachung
  • 8.1 Einleitung
  • 8.2 Ermittlung der Wellenlänge
  • 8.3 Aufplatzen des Randwirbels
• 9 Zusammenfassung

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die Studienarbeit untersucht die Stabilität des Nachlaufs eines Rechteckflügels mit voreingestellten Rudern. Ziel ist es, die Entstehung und Entwicklung von Wirbeln im Nachlauf des Flügels zu analysieren und deren Stabilitätseigenschaften zu bestimmen. Die Arbeit umfasst sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen.

• Wirbelbildung und -entwicklung im Nachlauf von Flügeln
• Einfluss von voreingestellten Rudern auf die Wirbelstruktur
• Stabilitätsanalyse des Wirbelsystems
• Experimentelle Untersuchung der Wirbelstruktur mittels Particle Image Velocimetry (PIV)
• Zusammenhang zwischen Wirbelparametern und Stabilitätseigenschaften

Zusammenfassung der Kapitel

• Kapitel 1: Einleitung Diese Einleitung beschreibt die Ausgangslage, die Lösungsansätze und das Ziel der Arbeit. Sie führt in die Thematik der Wirbelstabilität im Nachlauf von Flügeln ein und erläutert die Bedeutung dieser Thematik für die Sicherheit im Flugverkehr.
• Kapitel 2: Theoretischer Hintergrund Kapitel 2 befasst sich mit dem theoretischen Hintergrund der Wirbelbildung und -entwicklung im Nachlauf von Flügeln. Es werden wichtige Konzepte wie Zirkulation, Drehung, Rotation und verschiedene Wirbelmodelle erläutert. Weiterhin wird die Stabilitätsanalyse von Wirbelsystemen behandelt, die die Grundlage für die experimentellen Untersuchungen bildet.
• Kapitel 3: Versuchsmethodik Dieses Kapitel beschreibt die angewandte Versuchsmethodik, insbesondere die Particle Image Velocimetry (PIV), die zur Messung der Geschwindigkeitsfelder im Nachlauf des Flügels eingesetzt wird. Der Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung werden detailliert erläutert, einschließlich der gewählten Versuchsparameter.
• Kapitel 4: Aufbereitung der Rohdaten In Kapitel 4 werden die Schritte zur Aufbereitung der Rohdaten aus den PIV-Messungen beschrieben. Die Generierung der Geschwindigkeitsvektorfelder und deren Umstrukturierung zur Weiterverarbeitung werden erläutert. Die Qualität der gewonnenen Daten wird ebenfalls bewertet.
• Kapitel 5: Referenzfall Kapitel 5 dient als Referenz für die weiteren Untersuchungen und stellt die Ergebnisse für einen bestimmten Fall ohne Rudereinstellung dar.
• Kapitel 6: Auswertung der Messergebnisse Hier werden die Ergebnisse der PIV-Messungen und die Analyse der Wirbelstruktur im Detail dargestellt. Die Bestimmung der Wirbelparameter wie Schwerpunkt, Kernradius und Zirkulation sowie die Analyse des Rollmoments und der Axialgeschwindigkeit werden erläutert. Weiterhin werden die Auswirkungen externer Faktoren, wie Boden- und Wandeffekte, auf die Ergebnisse untersucht.
• Kapitel 7: Stabilitätsanalyse Dieses Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Stabilitätsanalyse des Wirbelsystems. Die Eingangsdaten und die Ergebnisse der Analyse werden dargestellt.
• Kapitel 8: Strömungssichtbarmachung Kapitel 8 befasst sich mit der Visualisierung der Strömung im Nachlauf des Flügels. Die Ergebnisse der Strömungssichtbarmachung, wie die Ermittlung der Wellenlänge und das Aufplatzen des Randwirbels, werden diskutiert.

Schlüsselwörter

Die Studienarbeit beschäftigt sich mit den Themen Wirbelbildung und -stabilität im Nachlauf von Flügeln, insbesondere mit dem Einfluss von voreingestellten Rudern. Die Schlüsselbegriffe umfassen die Particle Image Velocimetry (PIV), Wirbelparameter (z.B. Kernradius, Zirkulation), Stabilitätsanalyse, Strömungsvisualisierung und die Bedeutung für die Sicherheit im Flugverkehr.

Details

• Hochschule: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Institut für Luft- und Raumfahrt)
• Note: 1,3
• Autor: Linus Hogrebe (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2004
• Seiten: 83
• Katalognummer: V29104
• ISBN (eBook): 9783638307154
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Untersuchung Stabilität Wirbelnachlaufs Rechteckflügels Rudern