Methodik zur näherungsweisen Vorhersage des laminar-turbulenten Umschlags an Hubschrauberrotoren

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine approximative Methodik zur Vorhersage des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags an Hubschrauberrotoren für reibungsbehaftete Strömungssimulation mittels URANS Verfahren entwickelt. Anhand der Methodik wird der Einfluss von laminarer Strömung auf die benötigte Rotorleistung und den generierten Rotorschub untersucht und mit voll-turbulenten Ergebnissen verglichen. Zur Berechnung der laminaren Grenzschicht wird ein Integralverfahren nach Schlichting/Walz in Kombination mit einem Geschwindigkeitsansatz für rotierende Blätter nach Blaser und Velkoff verwendet. Die Vorhersage des laminar-turbulenten Umschlags erfolgt mittels empirischer Kriterien. Aufgrund der komplexen Rotorströmung wird ein breites Spektrum von Grenzschichtinstabilitäten berücksichtigt, darunter Tollmien-Schlichting-Wellen, laminare Ablösung, Querströmung, Bypass-Mechanismen und Anlegelinieninstabilitäten. Die Umschlagsvorhersage berücksichtigt den Turbulenzgrad des simulierten Blattnachlaufes. Eine Detektion des Grenzschichtrandes aus der URANS Lösung ist nicht erforderlich. Die grundlegende Validierung der approximativen Methode erfolgt anhand der Nachrechnung von experimentellen Testfällen mit laminar-turbulentem Grenzschichtumschlag. Dazu zählen ein Laminarprofil, ein oszillierendes Hubschrauberprofil sowie ein schiebendes Flügelsegment. Als Testfall mit Rotationseinfluss werden der Flugversuch eines Hubschraubers im Schwebeflug und die Rotorströmung eines Mach-skalierten Windkanal-Hubschraubermodells im Vorwärtsflug nachgerechnet. Die berechneten laminar-turbulenten Umschlagslagen an den Rotorblättern zeigen generell eine gute Übereinstimmung zu den experimentellen Messungen. Gegenüber der üblichen Annahme einer voll-turbulenten Rotorströmung bewirkt die Berücksichtigung der laminaren Lauflängen eine Verringerung des Rotorleistungsbedarfs von 3- 5%. Der Rotorschub bleibt von der laminaren Strömung praktisch unbeeinflusst.