06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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    Piloted simulation of the rotorcraft wind turbine wake interaction during hover and transit flights
    (2022) Štrbac, Alexander; Greiwe, Daniel Heinrich; Hoffmann, Frauke; Cormier, Marion; Lutz, Thorsten
    Helicopters are used for offshore wind farms for maintenance and support flights. The number of helicopter operations is increasing with the expansion of offshore wind energy, which stresses the point that the current German regulations have not yet been validated through scientific analysis. A collaborative research project between DLR, the Technical University of Munich, the University of Stuttgart and the University of Tübingen has been conducted to examine the sizes of the flight corridors on offshore wind farms and the lateral safety clearance for helicopter hoist operations at offshore wind turbines. This paper details the results of piloted helicopter simulations in a realistic offshore wind farm scenario. The far-wake of rotating wind turbines and the near-wake of non-rotating wind turbines have been simulated with high-fidelity computational fluid dynamics under realistic turbulent inflow conditions. The resulting flow fields have been processed by superposition during piloted simulations in the research flight simulator AVES to examine the flight corridors in transit flights and the lateral safety clearance in hovering flights. The results suggest a sufficient size for the flight corridor and sufficient lateral safety clearance at the offshore wind turbines in the considered scenarios.
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    Auslegung und Charakterisierung eines dreidimensionalen Scramjet-Einlaufs mit hohem Verdichtungsverhältnis und variabler Innenkontraktion
    (2014) Hohn, Oliver; Krämer, Ewald (Prof. Dr.-Ing.)
    Diese Arbeit als Bestandteil des Graduiertenkollegs GRK-1095 „Aero-thermodynamische Auslegung eines Scramjet-Antriebssystems für zukünftige Raumtransportsysteme“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) befasst sich mit Untersuchungen an Scramjet-Einläufen mit hohen Verdichtungsverhältnissen, wobei der Schwerpunkt darin lag, den Übergang von vormals vorherrschenden zweidimensionalen zu dreidimensionalen Geometrien zu erreichen. Dazu wurde zunächst der bestehende zweidimensionale Doppelrampen-Einlauf GK-01 der ersten Leitkonfiguration des Graduiertenkollegs modifiziert, um mit diesem Erkenntnisse über Aspekte zu erlangen, auf die bei der Auslegung einer neuen, vollständig drei-dimensionalen Einlaufgeometrie besonderes Augenmerk gelegt werden muss. Dies betraf insbesondere die aerodynamischen und aerothermodynamischen Auswirkungen durch zusätzliche Seitenwandkompression sowie Veränderungen beim Innenkontraktionsverhältnis des Einlaufs. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde mittels einer CFD-Parameterstudie die Einlaufgeometrie der neuen dreidimensionalen Gesamtkonfiguration des Graduiertenkollegs festgelegt. Das Betriebsverhalten des auf Basis dieser Parameterstudie entwickelten und gefertigten Einlaufmodells GK-3D wurde anschließend im Hyperschallwindkanal H2K der Abteilung Überschall- und Hyperschalltechnologien des DLR in Köln eingehend an unterschiedlichen Betriebspunkten und bei verschiedenen Bedingungen experimentell untersucht. Die Einlaufströmung wurde in den Windkanalversuchen mit Strömungsvisualisierung durch Schattenaufnahmen und Wand- und Pitotdruckmessungen erfasst. Für das neu ausgelegte GK-3D-Modell wurde ein Druckmessrechen entwickelt, der neben Pitotröhrchen auch über statische Drucksonden verfügt. Zudem wurde der Massenstrom mit einer Drossel gemessen, mit der auch der Brennkammergegendruck variiert wurde, um die Grenzen des Betriebsbereichs des Einlaufs zu ermitteln. Die Wärmelasten auf den externen Verdichtungsrampen wurden mittels Infrarot-Thermografie bestimmt. Die zusätzliche Seitenwandkompression im modifizierten 2D-Einlauf verursachte starke Änderungen der externen Strömung, die das Startverhalten des Einlaufs negativ beeinflussten. Dadurch war eine optimale Anpassung der Lippenposition an die veränderte Strömungsstruktur nicht möglich, so dass mit dieser Art der Seitenwandkompression, im Gegensatz zu zusätzlichen seitlichen Kompressionskeilen im internen Strömungskanal, aufgrund des größeren Spillage-Massenstroms keine bedeutend höhere Verdichtung erzielt werden konnte. Die Eckenwirbel waren bei zusätzlicher Seitenwandkompression deutlich stärker und wurden durch die Interaktion mit dem zweiten Rampenstoß nochmals enorm verstärkt, wodurch die Grenzschichten in weiten Bereichen der externen Rampen ablösten. Im 2D-Fall und bei interner Seitenwandkompression war es möglich, die Innenkontraktion deutlich zu erhöhen und durch den zusätzlich eingefangenen Massenstrom die Effizienz zu steigern. Zur Untersuchung des Betriebsverhaltens des neuen 3D-Einlaufs wurden das Startverhalten, der Einfluss der Innenkontraktion, der Reynoldszahl und die Änderung der Flugbahnwinkel betrachtet. Das Startverhalten stimmte dabei gut mit Erfahrungswerten von anderen 3D-Einläufen überein. Die Innenkontraktion hatte keine entscheidenden Auswirkungen auf das Strömungsfeld und das Leistungsvermögen des Einlaufs. Die Grenzen des Betriebsbereichs verschoben sich mit steigender Innenkontraktion jedoch zu höheren Druckverhältnissen. Die Stoß-Grenzschicht-Interaktion des Rampenstoßes mit der Haubenoberfläche, die bei Fällen mit hoher Innenverdichtung auftritt, erwies sich nicht als problematisch. Dies war auch bereits bei den Voruntersuchungen mit dem modifizierten 2D-Einlauf der Fall. Größere Auswirkungen ergaben sich durch Flugbahnwinkel, welche die effektiven Kompressionswinkel der Rampe bzw. der Seitenwände und den Fangquerschnitt verändern und damit auch die Druck- und Massenstromverhältnisse. Hinsichtlich eines sicheren Betriebs sind vor allem hohe positive Anstellwinkel als kritisch einzustufen, da die Druck- und Massenstromverhältnisse derart stark absinken, dass die Zündung und Stabilität der Verbrennung eventuell nicht mehr gewährleistet sind. Die Variation der Reynoldszahl lieferte nur kleine Einflüsse auf das Leistungsvermögen und die Effizienz des Einlaufs im ungedrosselten Betriebsfall. Die Betriebsgrenzen lagen bei hoher Reynoldszahl jedoch deutlich niedriger, das Blockieren der Einlaufströmung passierte viel schneller (d.h. bei niedrigeren Brennkammergegendrücken). Mit IR-Thermografie konnten Erkenntnisse über die Höhe der maximalen auftretenden Wärmelasten und die Orte, an denen sie auftreten, erlangt werden. Diese und besonders auch deren Position änderten sich stark bei Variation der Flugbedingung, vor allem durch Flugbahnwinkel. Es konnten daraus jedoch keine genaueren Einblicke in die Strömungsstruktur auf den externen Rampen, vor allem das Transitionsverhalten, gewonnen werden. Zudem wurden alternative, analytische Auslegeverfahren basierend auf Streamline-Tracing betrachtet, um die hier angewandte und mit hohem Arbeitsaufwand verbundene Auslegungsstrategie einer Parameterstudie effizienter zu gestalten. Dazu wurden ein REST-Einlauf und ein Einlauf auf Basis einer Busemannströmung entwickelt, denen jeweils die gleichen Flächenverhältnisse wie beim GK-3D-Einlauf zugrunde liegen. Das Auslegungsverfahren für REST-Einläufe erwies sich dabei als nur sehr eingeschränkt tauglich für die vorliegenden hohen Verdichtungsverhältnisse, da die so erlangten Einlaufgeometrien extrem lang werden und somit ungeeignet für das hypothetische Flugexperiment des GRK-Teilprojekts C1 wären. Basierend auf Busemann-Strömungen war es möglich, Einlaufgeometrien zu erlangen, die zwar immer noch länger als der GK-3D-Einlauf waren, aber deutlich kompakter gestaltet werden konnten als die REST-Einläufe. Mit diesen Einläufen konnten zudem bedeutend höhere Wirkungsgrade erzielt werden als mit den anderen Konfigurationen. Jedoch lag deren Leistungsvermögen in Form der Verdichtungs- und Temperaturverhältnisse geringfügig niedriger als das des 3D-Einlaufs.
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    Dynamic-stall measurements using time-resolved pressure-sensitive paint on double-swept rotor blades
    (2021) Weiss, Armin; Geisler, Reinhard; Müller, Martin M.; Klein, Christian; Henne, Ulrich; Braukmann, Johannes N.; Letzgus, Johannes
    The study presents an optimized pressure-sensitive paint (PSP) measurement system that was applied to investigate unsteady surface pressures on recently developed double-swept rotor blades in the rotor test facility at the German Aerospace Center (DLR) in Göttingen. The measurement system featured an improved version of a double-shutter camera that was designed to reduce image blur in PSP measurements on fast rotating blades. It also comprised DLR’s PSP sensor, developed to capture transient flow phenomena (iPSP). Unsteady surface pressures were acquired across the outer 65% of the rotor blade with iPSP and at several radial blade sections by fast-response pressure transducers at blade-tip Mach and Reynolds numbers of Mtip=0.282-0.285 and Retip=5.84-5.95×105. The unique experimental setup allowed for scanning surface pressures across the entire pitch cycle at a phase resolution of 0.225deg azimuth for different collective and cyclic-pitch settings. Experimental results of both investigated cyclic-pitch settings are compared in detail to a delayed detached eddy simulation using the flow solver FLOWer and to flow visualizations from unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes (URANS) computations with DLR’s TAU code. The findings reveal a detailed and yet unseen insight into the pressure footprint of double-swept rotor blades undergoing dynamic stall and allow for deducing “stall maps”, where confined areas of stalled flow on the blade are identifiable as a function of the pitch phase.
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    Acoustic and aerodynamic evaluation of DLR small-scale rotor configurations within GARTEUR AG26
    (2024) Yin, Jianping; De Gregorio, Fabrizio; Rossignol, K.-S.; Rottmann, Lukas; Ceglia, Giuseppe; Reboul, Gabriel; Barakos, G.; Qiao, G.; Muth, Moritz; Kessler, Manuel; Visingardi, Antonio; Barbarino, Mattiaa; Petrosino, Francesco; Zanotti, Alex; Oberti, N.; Savino, Alberto; Bernardini, G.; Poggi, C.; Abergo, L.; Caccia, Francesco; Guardone, Alberto; Testa, C.; Zaghi, S.
    This paper presents the activities performed in the GARTEUR Action Group HC/AG-26 to study the acoustic and aerodynamic characteristics of small rotor configurations, including the influence of the rotor-rotor interactions. This paper will focus on comparisons between numerical activities and wind tunnel results on a small rotor provided by DLR. The wind tunnel models included a Rotor/Rotor/Pylon in isolated, tandem and coaxial configuration. The wind tunnel experiments for acoustics were performed in DLR’s Acoustic Wind Tunnel Braunschweig (AWB) and PIV test were performed in CIRA within a joint CIRA/DLR test program. For simulations, the numerical approaches from each partner are applied. The aerodynamic simulations necessary for the aeroacoustic predictions are conducted with various fidelity numerical methods, varying from lifting line to CFD. The acoustic values on the microphone positions are evaluated using Ffowcs Williams/Hawking (FW-H) formulation by all partners. The acoustic and aerodynamic predictions are compared to test data, including performance, PIV and acoustic directivity.