New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XIII
Contributions to the 22nd STAB/DGLR Symposium
- 2021
- Buch
- Herausgegeben von
- Prof. Dr. Dr. Andreas Dillmann
- Dr. Gerd Heller
- Prof. Dr. Ewald Krämer
- Prof. Dr. Claus Wagner
- Verlag
- Springer International Publishing
Über dieses Buch
Dieses Buch bietet aktuelle Einblicke in die Forschung zur numerischen und experimentellen Strömungsmechanik und Aerodynamik, hauptsächlich für (aber nicht beschränkt auf) Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Er berichtet über Erkenntnisse von Mitgliedern des STAB (Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt) und der DGLR (Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt) und deckt sowohl national als auch EU-finanzierte Projekte ab. In Fortführung der Tradition der vorangegangenen Bände beleuchtet das Buch innovative Lösungen und fördert die Übersetzung von der Grundlagenforschung in industrielle Anwendungen. Sie richtet sich gleichermaßen an Akademiker und Fachleute aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Bodenverkehr und Energie.
Mit KI übersetzt
Über dieses Buch
This book offers timely insights into research on numerical and experimental fluid mechanics and aerodynamics, mainly for (but not limited to) aerospace applications. It reports on findings by members of the STAB (German Aerospace Aerodynamics Association) and DGLR (German Society for Aeronautics and Astronautics) and covers both nationally and EC-funded projects. Continuing on the tradition of the previous volumes, the book highlights innovative solutions, promoting translation from fundamental research to industrial applications. It addresses academics and professionals in the field of aeronautics, astronautics, ground transportation, and energy alike.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Airplane Aerodynamics/Propulsion Integration
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Frontmatter
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Influence of the Wind Tunnel Model Mounting on the Wake Evolution of the Common Research Model in Post Stall
Maximilian Ehrle, Andreas Waldmann, Thorsten LutzDas Kapitel untersucht den Einfluss der Montage eines Windkanalmodells auf die Nachentwicklung des Common Research Model (CRM) unter Post-Stall-Bedingungen. Es wird die Validierung von Berechnungsmethoden durch experimentelle Bedingungen diskutiert, wobei die Notwendigkeit einer genauen Modellierung von Windkanaleffekten hervorgehoben wird. Die Studie konzentriert sich auf die Nah- und Fernfeldeffekte des Montagesystems, die die Strömungseigenschaften und aerodynamischen Koeffizienten des CRM verändern. Zu den Nahfeld-Effekten gehören lokale Strömungsstörungen, die durch das Unterstützungssystem verursacht werden, während Fernfeld-Effekte Änderungen der Nachwehen-Größe und der Wirbelschicht-Interaktion mit sich bringen. In diesem Kapitel werden detaillierte Ergebnisse von Simulationen der Strömungsberechnung (Computational Fluid Dynamics, CFD) vorgestellt und Konfigurationen mit und ohne Windkanalmontagesystem verglichen. Abschließend wird betont, wie wichtig es ist, die Montage des Windkanals für präzise Simulationsergebnisse und zukünftige Forschungsrichtungen zu berücksichtigen.KI-Generiert
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AbstractThis work describes the influence of the wind tunnel support system on the wake flow and associated forces acting on the CRM aircraft configuration in post-stall conditions at subsonic Mach numbers. Unsteady scale-resolving simulations at \(\alpha =18^{\circ }\), \(M_{\infty }=0.25\) and \(Re_{\infty } = 11.6\cdot 10^6\) were carried out using the CRM with and without a support sting, respectively. A predominantly local effect of the sting was observed at these conditions, causing significant deflection of the local flow direction near the sting. The sting’s shape causes downward deflection near the horizontal tailplane, decreasing that surface’s effective angle of attack and its lift coefficient. This results in a reduced overall lift coefficient \(C_L\) and a significantly reduced nose-down pitching moment \(C_{My}\). The wing pressure distribution is only weakly affected. -
Assessment of the Disturbance Velocity Approach to Determine the Gust Impact on Airfoils in Transonic Flow
Jens Müller, Marco Hillebrand, Thorsten LutzDas Kapitel bewertet den Disturbance Velocity Approach (DVA) zur Simulation von Böenwechselwirkungen mit Tragflächen im Transchallfluss und vergleicht ihn mit dem präziseren Resolved Atmosphere Approach (RAA). Im Mittelpunkt steht dabei das Profil des DLR-F15, das für überkritische, für Überschallbedingungen konzipierte Tragflächen steht. Die Studie variiert die Wellenlängen und Angriffswinkel der Böen und analysiert Auftrieb, Luftwiderstand und Pitching-Momente. Die DVA zeigt vielversprechende Ergebnisse für die Simulation von Hub- und Pitching-Momenten, zeigt aber bemerkenswerte Unterschiede beim Luftwiderstand aufgrund komplexer Interaktionen mit Transchallschocks und schockinduzierten Trennungen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass DVA für Böenwechselwirkungssimulationen in Transchallströmungssystemen geeignet ist, insbesondere für Hub- und Pitching-Moment-Überlegungen, die für Böenlastminderungssysteme von entscheidender Bedeutung sind.KI-Generiert
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AbstractUnsteady CFD simulations of vertical “1-cos” gusts interacting with the DLR-F15 airfoil at transonic flow conditions are analyzed. The scope of the work is to assess the applicability of the simplified Disturbance Velocity Approach (DVA) for gust simulation, which is implemented in the CFD code TAU. While the DVA covers the interaction of the gust with the airfoil, it neglects the effect of the airfoil and the flow around the airfoil on the gust. Simulations where the gust and all interactions are resolved within the flow field are used to evaluate the accuracy of the DVA. Gust wavelength and angle of attack are varied to ensure a reliable assessment of the DVA. Lift, pitching moment, and shock position can be accurately determined by the DVA. At higher angles of attack and a small gust wavelength, the DVA’s drag history shows deviations which should be taken into account. Overall, the DVA provides suitable results with respect to the resolved gust simulations. -
Comparison of Different Methods for the Extraction of Airfoil Characteristics of Propeller Blades as Input for Propeller Models in CFD
Michael Schollenberger, Thorsten LutzDas Kapitel vertieft den Vergleich verschiedener Methoden zur Ermittlung der Profileigenschaften von Propellerblättern, die für CFD-Simulationen in Flugzeugantrieben unverzichtbar sind. Es werden vier unterschiedliche Methoden eingeführt - 3d, 2.5d, 2d und slipstream force recovery - jede mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad und unterschiedlichen Rechenanforderungen. Die 3D-Methode bietet die höchste Genauigkeit, indem sie das gesamte Propellerblatt simuliert und sowohl Rotations- als auch Spitzeneffekte erfasst. Die 2.5d-Methode, ein neuartiger Ansatz, reduziert die Rechenzeit, indem sie Messersegmente auf einem zylindrischen Raster rotiert und so Präzision und Effizienz effektiv ausbalanciert. Die 2d-Methode ist zwar einfacher, vernachlässigt aber die Rotationseffekte, was zu Ungenauigkeiten bei den Aufzugs- und Schleppkoeffizienten führt. Die Windschattenkraftrückgewinnungsmethode extrahiert Schub- und Drehmomentverteilungen direkt aus Windschattendaten. Die Studie validiert diese Methoden gegenüber vollständig aufgelösten Simulationen und hebt die Stärken und Schwächen jedes Ansatzes hervor. Die 2.5d-Methode erweist sich als vielversprechender Kompromiss und bietet nahezu 3D-Genauigkeit bei deutlich geringerem Rechenaufwand. Dieses Kapitel ist für Fachleute, die Propellerdesign und Simulationstechniken in der Luft- und Raumfahrtindustrie optimieren wollen, von entscheidender Bedeutung.KI-Generiert
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AbstractFour different methods for the generation of input data for propeller models (Actuator Disk, Actuator Line) in CFD simulations are described and their results are compared with an unsteady fully resolved simulation of the propeller geometry. It is shown that the neglect of the rotation effects with a 2d method overestimates the propeller thrust and the axial velocity in the wake. If the rotation effects are instead considered with a 3d or a new 2.5d approach or via a recovery from the slipstream data, there is better agreement regarding thrust and slipstream velocities. Thereby, the 2.5d method shows a good compromise between computational effort and the quality of the results.
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Turbulence and Transition
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Effect of the Motion Pattern on the Turbulence Generated by an Active Grid
Meike Herbert, Tanja Skeledzic, Hermann Lienhart, Özgür ErtuncDas Kapitel geht der komplizierten Beziehung zwischen aktiven Netzbewegungsmustern und der Erzeugung von Turbulenzen nach. Er beginnt mit der Diskussion der Verbreitung turbulenter Strömungen sowohl in technischen als auch in natürlichen Umgebungen und unterstreicht die Bedeutung von Kolmogorows Annahme der lokalen Isotropie in der Turbulenzmodellierung. Der Versuchsaufbau an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wird beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf einem modifizierten aktiven Gitter mit einzeln steuerbaren Paddeln liegt. Die Studie untersucht die Auswirkungen verschiedener Bewegungsabläufe, einschließlich zufälliger Gaußscher und gleichmäßiger Verteilungen sowie synchroner Bewegungen benachbarter Paddel. Die Ergebnisse zeigen, dass das modifizierte Gitter die Turbulenzhomogenität verbessert und höhere Turbulenzintensitäten und Reynolds-Zahlen im Vergleich zu einem früheren Design erreicht. Insbesondere zeigt die Studie, dass synchrone Paddelbewegungen Turbulenzskalen nicht signifikant verbessern, was wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Netzkonstruktionen und Strategien zur Turbulenzerzeugung bietet.KI-Generiert
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AbstractIn the field of turbulence research, many experiments are performed using turbulence generated under reproducible conditions. In the past mostly static grids having a fixed blockage were adopted, but in order to generate turbulence with high intensity and high turbulence Reynolds numbers, so called active grids can be used. Therefore, an experimental study has been carried out to investigate the effect of the motion pattern on the turbulence generated by an active grid with individually controllable paddles in the wind tunnel. Measurements were performed using the hot-wire technique. In comparison to former experiments, modifications of the active grid had been made concerning the arrangement of the paddles. The results show that the homogeneity of the turbulence could be improved using the modified grid. Turbulence Reynolds numbers could reach values up to 540. In order to produce even higher integral time scales or higher turbulence Reynolds numbers, synchronous movement of adjacent paddles was tested but did not show the intended improvements. In this paper, the results of the experimental study are presented in more detail. -
Stochastic Modeling of Passive Scalars in Turbulent Channel Flows: Predictive Capabilities of One-Dimensional Turbulence
Marten Klein, Heiko SchmidtDas Kapitel befasst sich mit der numerischen Modellierung des skalaren Transports in turbulenten Grenzschichten, eine kritische Herausforderung bei Anwendungen, die von technischen bis hin zu atmosphärischen Skalen reichen. Es stellt das stochastische eindimensionale Turbulenzmodell (ODT) als Lösung für das Problem der kleinräumigen Auflösung vor und zeigt seine Effizienz bei der Erfassung wandnormaler turbulenter Ströme und der allgemeinen Grenzschichtstruktur. Die Autoren präsentieren eine detaillierte Analyse der Leistung des ODT-Modells bei der Vorhersage skalarer Transferkoeffizienten und Wirbeldiffusivität und vergleichen seine Ergebnisse mit Referenzdaten des DNS. Das Kapitel diskutiert auch die Grenzen des Modells, insbesondere bei der Erfassung von Fluktuationsvarianzen und Wandunähnlichkeiten, während es mögliche Anwendungen als Wandmodell in Großwirbelsimulationen (LES) vorschlägt.KI-Generiert
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AbstractNumerical simulations of passive scalars in turbulent channel flows up to friction Reynolds number \(Re_\tau =5{,}200\) and Schmidt number \(Sc=2{,}000\) are performed by utilizing the stochastic one-dimensional turbulence (ODT) model as stand-alone tool. The model is calibrated once for the turbulent velocity boundary layer at \(Re_\tau =5{,}200\) so that the passive scalar is a model prediction. ODT is able to reproduce with reasonable accuracy the scaling regimes of the scalar transfer and locally resolve the boundary layer structure. Albeit the model is unable to capture the emerging dissimilarity of near-wall scalar and momentum transport for high Sc, it can economically and accurately represent fluctuating wall-normal fluxes. -
Study of RANS Turbulence Models for Turbulent Wake Flow in Adverse Pressure Gradient
Tobias Knopp, Paul Korsmeier, Mikael Strelets, Ekaterina GusevaDas Kapitel untersucht die Beschränkungen von Standard-RANS-Modellen bei der Vorhersage turbulenter Nachströmungen unter ungünstigen Druckgradienten. Es stellt einen neuen Testfall vor, der frühere experimentelle Mängel beheben soll, und liefert detaillierte LES-Daten zum Vergleich. Die Studie konzentriert sich auf die Leistungsfähigkeit verschiedener RANS-Modelle, einschließlich der SA-, SST- und SSG / LRR-Modelle, und führt Modifikationen ein, um deren Genauigkeit zu verbessern. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die Unterprognose der Flussumkehr und der signifikante Einfluss der Scherzentrumsregion auf Reynolds-Belastungen. Das Kapitel bietet wertvolle Einblicke in die Komplexität turbulenter Wakeflüsse und schlägt Wege für zukünftige Forschung vor.KI-Generiert
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AbstractWe present an analysis of RANS turbulence models for a new turbulent wake flow case in adverse pressure gradient. The reference data are obtained from an LES. RANS simulations using the Spalart-Allmaras model, the SST model and the SSG/LRR-\(\omega \) model show a tendency to underpredict the onset of flow reversal in the wake. The comparison with the LES data reveals that the SSG/LRR-\(\omega \) model underpredicts the turbulent transport of the Reynolds stresses and overpredicts the ratio of production to dissipation. Therefore two modifications of the SSG/LRR-\(\omega \) model are studied, i.e., the modification of the coefficient of the gradient diffusion hypothesis for the turbulent transport of the Reynolds stresses and the sensitization of the dissipation rate to irrotational strains. Both modifications improve the agreement with the reference data. -
Study on Large-Scale Amplitude Modulation of Near-Wall Small-Scale Structures in Turbulent Wall-Bounded Flows
Esther Mäteling, Michael Klaas, Wolfgang SchröderDie Studie untersucht die komplizierte Dynamik turbulenter wandbegrenzter Strömungen und konzentriert sich dabei insbesondere auf die Wechselwirkung zwischen großflächigen Strukturen der Außenschicht und wandnahen Turbulenzen. Durch den Einsatz eines neuartigen multivariaten empirischen Modus-Dekomposition (MEMD) erweitern die Autoren frühere Forschungsergebnisse, um alle drei Geschwindigkeitskomponenten zu analysieren und ein umfassenderes Verständnis der Interaktionsmechanismen zu liefern. Die Analyse zeigt ein hohes Maß an innerer und äußerer Kohärenz, insbesondere bei den Strom- und Wandnormalfluktuationen, und unterstreicht die überlegene Leistung des methodischen Ansatzes bei der Aufdeckung von Amplitudenmodulationen über alle Geschwindigkeitskomponenten hinweg. Die Ergebnisse stellen bestehende Studien in Frage und eröffnen Möglichkeiten für weitere Untersuchungen alternativer Methoden zur Quantifizierung innerer und äußerer Kohärenz.KI-Generiert
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AbstractRecently, a novel approach to study the inner-outer interactions in turbulent wall-bounded flows has been presented by Mäteling et al. [8], which tackles the combined effects of superposition, bursting events, and amplitude modulation based on the time-dependent streamwise velocity fluctuations. This approach is extended in the current study to all three velocity fluctuation components. Due to the incorporation of the wall-normal velocity fluctuations, the bursting events can be study in more detail and independently of the superposition. By using a multivariate empirical mode decomposition for the scale separation, all velocity components at both wall-normal positions can be decomposed simultaneously to ensure proper scale alignment between the resulting modal representations. The results show that the superposition effect and the amplitude modulation exist in all three velocity components but are most intense for the streamwise fluctuations. A high level of coherence of the sweeps and ejections is also detected by conventional cross-correlation. -
Application of Multitask Learning for Enhancement of Spalart-Allmaras Turbulence Model
Rohit Pochampalli, Emre Özkaya, Beckett Y. Zhou, Guillermo Suarez, Nicolas R. GaugerDas Kapitel konzentriert sich auf die Verbesserung des Spalart-Allmaras-Turbulenzmodells mithilfe von Multitask-Lernen und adressiert seine Grenzen bei hohen Reynolds-Zahlenströmen. Durch die Einführung eines datengestützten Korrekturbegriffs wird die Vorhersagegenauigkeit des Modells deutlich verbessert. Die Methodik umfasst die Lösung umgekehrter Probleme, um optimale Korrekturfunktionen abzuschätzen, und die Ausbildung eines maschinellen Lernmodells, um diese Korrekturen in Echtzeit vorherzusagen. Das Rahmenwerk wird durch numerische Simulationen verschiedener Profilkonfigurationen validiert, die wesentliche Verbesserungen bei den Vorhersagen des Aufzugskoeffizienten zeigen. Der Ansatz ist nicht nur auf das Spalart-Allmaras-Modell anwendbar, sondern kann auch auf andere Turbulenzmodelle ausgeweitet werden, was ihn zu einem vielversprechenden Fortschritt im Bereich der computergestützten Strömungsdynamik macht.KI-Generiert
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AbstractCorrecting functional terms using data driven techniques is one recent approach to improve the predictive accuracy of turbulence models. We present a multitask learning framework that can be used to generalize functional corrections of turbulence models to different flow conditions and test cases. The approach is developed with a view to generalize the correction of turbulence models using data from different flow conditions. The machine learning model first learns a compressed latent representation of flow variables that are most correlated with the correction term and has enhanced predictive accuracy for new test cases. The approach is shown to improve the performance of Spalart-Allmaras turbulence model in massively separated flow regimes. -
Investigation of Coherent Motions in a Flat-Plate Turbulent Boundary Layer with Adverse Pressure Gradient
Matthias Weinschenk, Ulrich Rist, Christoph WenzelDieses Kapitel vertieft sich in die komplexe Dynamik kohärenter Bewegungen innerhalb einer turbulenten Grenzschicht, die einem ungünstigen Druckgefälle unterliegt. Mithilfe von DNS-Daten (Direct Numerical Simulation) untersucht die Studie die Konvektionsgeschwindigkeiten großflächiger Strukturen und zeigt, dass diese Geschwindigkeiten in bestimmten Regionen eng mit dem mittleren Fluss übereinstimmen. Insbesondere identifiziert die Forschung eine deutliche Überlappungsregion, in der alle Strömungsmuster an das flüssige Material gebunden sind, was auf das Vorhandensein von Lagrangian Coherent Structures (LCS) hindeutet. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass großflächige Bewegungen durch Tiefpassfilterung der Strömungsgeschwindigkeitskomponente effektiv extrahiert werden können, was praktische Implikationen für zukünftige Forschungen und Anwendungen in der Strömungsdynamik bietet.KI-Generiert
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AbstractConvection velocities of small- and large-scale patterns in a turbulent boundary layer obtained via Direct Numerical Simulation are computed by correlating finite-size interrogation windows between consecutive time steps, which is common practice in Particle-Image Velocimetry. A particular region in the logarithmic layer and the lower defect layer of the mean flow is identified where different patterns belonging to different flow variables are convected downstream by the local fluid material. The corresponding structures are unique and match with the well-known high- and low-speed streaks of the streamwise velocity component. Outside of the region where these structures are observed, the convection of local disturbance patterns exhibits wave character, i.e., they travel faster than the mean flow close to the wall and slower in the outer defect layer and at the edge of the boundary layer. This further confirms our interpretation of the presence of dominant material-bound coherent structures in the intersection zone of the log layer with the defect layer.
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Hypersonic Aerothermodynamics
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Frontmatter
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HyperCODA – Extension of Flow Solver CODA Towards Hypersonic Flows
Immo Huismann, Stefan Fechter, Tobias LeichtHyperCODA ist eine bedeutende Erweiterung des CODA-Flow-Solvers, der entwickelt wurde, um die Komplexität von Hyperschallströmungen zu bewältigen. Dieses Kapitel stellt die Motivation hinter HyperCODA vor und beschreibt die Herausforderungen bei der Simulation von Hochenthalpieflüssen und die Notwendigkeit fortgeschrittener numerischer Methoden. Sie vertieft sich in die Infrastruktur und Umsetzung von CODA und hebt deren modularen Aufbau und umfassende Unterstützung für verschiedene PDEs und Diskretisierungsprogramme hervor. Der Schwerpunkt liegt auf der Hyperschallerweiterung HyperCODA, die Flüssigkeitsmodelle verschiedener Arten, schockstabile Konvektionsflüsse und spezielle Randbedingungen einführt. Numerische Ergebnisse belegen die Genauigkeit und Stabilität von HyperCODA und zeigen, dass es in der Lage ist, komplexe Testfälle wie das Sod-Schockrohrproblem und einen stumpfen Karosserietest zu bewältigen. Das Kapitel schließt mit Plänen für zukünftige Verbesserungen, einschließlich chemischer Reaktionen und Hochtemperaturgleichungen, und unterstreicht das Potenzial von HyperCODA, die Simulation von Hochenthalpieflüssen voranzutreiben.KI-Generiert
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AbstractThis paper presents HyperCODA, the hypersonics extension to the flow solver CODA (CFD for ONERA, DLR and Airbus). Similar to the spacecraft extensions of TAU, HyperCODA extends CODA for applications at high Mach numbers, including non-ideal gas thermodynamics, gas mixtures, and chemistry. The paper discusses simulations demonstrating numerical convergence and stability properties, as well as a supersonic rocket retropropulsion maneuver. Cross-code comparisons are made against the established DLR TAU code. -
Experimental Approach on Concentration Measurements of NO in Hydrogen Combustion Based on Heterodyne Laser Absorption Spectroscopy Using Quantum Cascade Lasers
Jan Martinez Schramm, Diana LuísDas Kapitel befasst sich mit den experimentellen Methoden zur Messung der NO-Konzentrationen bei der Wasserstoffverbrennung, einem entscheidenden Aspekt bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Passagierflügen in der Stratosphäre. Es führt den Einsatz von Heterodyn-Laser-Absorptionsspektroskopie mit Quantenkaskadenlasern ein, einer Technik, die schnelle und präzise Messungen ermöglicht. Die Forschung wird im Rahmen des Projekts H2020 STRATOFLY durchgeführt, das darauf abzielt, die Umweltauswirkungen der zivilen Luftfahrt durch die Erforschung innovativer Antriebssysteme zu verringern. Die Autoren beschreiben die theoretischen und experimentellen Voraussetzungen, einschließlich des Einsatzes optischer Frequenzkämme und des Aufbaus des Versuchsapparates. Sie diskutieren auch die Herausforderungen und Lösungen, die mit der Kalibrierung der Messungen und der Integration der Ergebnisse aus numerischen Simulationen verbunden sind. Das Kapitel schließt mit der Hervorhebung der Bedeutung dieses Ansatzes für die Zukunft der Hochgeschwindigkeitsluftfahrt und der Bedeutung präziser NO-Konzentrationsmessungen für das Erreichen nachhaltiger Luftverkehrsziele.KI-Generiert
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AbstractExperimental determination of NO and \(H_2O\) production during hydrogen combustion applying laser absorption spectroscopy will be performed in the High Enthalpy Shock Tunnel Göttingen of the German Aerospace Center. The combustion process forming these species within the propulsion unit of a small scale wind tunnel model is to be studied. A novel experimental approach to obtain absorption spectra of both species in the infrared region within \(\mu \)-second range is reported. This technique is based on the use of frequency combs generated with quantum cascade lasers. This method enables multi-species measurements of absorption spectra from which concentrations can be inferred. The generated frequency combs are within the \(1760\,\pm \,30\,\mathrm cm^{-1}\) wavenumber region which features strong NO and \(H_2O\) spectral lines allowing characterization of these species. The technique, the application in short duration ground testing and its calibration procedure will be reported. -
Internal Application of Ultra-Fast Temperature Sensitive Paint to Hydrogen Combustion Flow
Jan Martinez Schramm, Leni SchmidtDas Kapitel befasst sich mit der genauen Bestimmung des Wärmeflusses an der Oberfläche von Hochenthalpie-Impulsanlagen, die für Experimente in Überschall-Testanlagen wie dem Hochenthalpie-Schocktunnel Göttingen (HEG) von entscheidender Bedeutung sind. Herkömmliche Methoden mit Thermoelementen und Dünnschichtmessgeräten haben Beschränkungen bei der räumlichen Auflösung und der Sensorbefestigung. In diesem Kapitel wird der Einsatz ultraschneller temperatursensitiver Farbe (TSP) zur Messung räumlich aufgelöster Oberflächentemperaturen und zur Berechnung von Oberflächenwärmeflüssen vorgestellt. Die Anwendung wird in der Antriebseinheit des LAPCAT MR2-Fahrzeugs für kleinräumige Flugexperimente (SSFE) demonstriert, um die numerische Modellierung der Strömung zu validieren. Der theoretische Hintergrund, der Versuchsaufbau und die Datenverarbeitungsmethoden sind detailliert und beleuchten die Herausforderungen und Lösungen für ultraschnelle TSP-Applikationen bei hohen Enthalpieströmen. Die Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie werden präsentiert, die das Potenzial und die Grenzen der Technik aufzeigen und zukünftige Verbesserungen für genauere und zuverlässigere Messungen vorschlagen.KI-Generiert
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AbstractThe paper will discuss an experimental approach to determine wall surface heat flux in a hydrogen combustion chamber using a temperature sensitive paint. This measurement technique represents a non-intrusive method to determine wall surface heat flux with a high spatial resolution. The application of this method to an internal flow, generated in a hydrogen fueled combustion wind tunnel model, is a new approach in the application of the measurement technique. The wind tunnel model represents the small scaled flight experiment configuration of the MR2 vehicle of the EU co-funded Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies project. The paper will discuss the special demands and prerequisites needed to apply TSP in high temperature flows. The experimental setup will be described and the feasibility of the application of TSP to internal flows and the resulting technical demands will be reviewed. The obtained result will be discussed with respect to the validity by comparison to a numerical simulation of the combustor flow. -
Aerodynamic Data Set Generation for the Experimental Vehicle ReFEx
Clemens Merrem, Viola Wartemann, Thino EggersDas Reusability Flight Experiment (ReFEx) ist ein zukunftsweisendes Projekt, das das Wissen über wiederverwendbare Raketenanfänge erweitern soll. Die Initiative setzt ein Flügelfahrzeug ein, das einen vertikalen Start und anschließend eine horizontale Landung (VTHL) durchführt. Dieses Kapitel vertieft sich in den komplizierten Prozess der Erzeugung aerodynamischer Datensätze für das ReFEx-Fahrzeug, wobei der Schwerpunkt auf der Phase des autonomen Wiedereinstiegs liegt, in der die Mach-Zahl zwischen 0,5 und höheren Werten liegt. Die Methoden und Herausforderungen, die mit der Erfassung und Analyse dieser Datensätze verbunden sind, werden sorgfältig untersucht und liefern ein grundlegendes Verständnis für zukünftige Entwicklungen in der Mehrwegtechnologie.KI-Generiert
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AbstractAerodynamic characterization of vehicles is mandatory to identify their flight envelope, their controllability behavior and ultimately their shape. During the design process one goal is to efficiently determine the aerodynamic properties for every possible state during the flight. Therefore, the aerodynamic force and moment coefficients need to be known for all combinations that are expected to occur of velocity, orientation, altitude, control surface deflections and dynamic values such as rotation rates. The amount of conditions that need to be evaluated can be reduced if an independence within these variation parameters is proven. For an aerodynamic design process via CFD this paper purposes an additional method to reduce the amount of data points. Through the use of the DLR TAU code with an overlapping meshes feature, envelope datasets can be produced for the momentum free trimmed state in each flight point. With this starting set, several subsets with parameter variations can be computed. This reduces the amount of simulations needed by 65% for the investigated case, the flight experiment ReFEx. -
Contribution of Numerical and Experimental Flow Simulations to the Aerodynamic Data Base of the DLR Reusable Flight Experiment ReFEx
Viola Wartemann, Ntarinai Konosidou, Andreas Flock, Clemens MerremDas Kapitel befasst sich mit dem aerodynamischen Design und der Datengenerierung für das DLR-Wiederverwendungsexperiment ReFEx und konzentriert sich dabei auf die Bauchflugphase mit hohen Mach-Zahlen und negativen Angriffswinkeln. Es präsentiert numerische Simulationen unter Verwendung verschiedener Turbulenzmodelle und experimenteller Daten aus Windkanalversuchen, wobei berechnete und gemessene aerodynamische Koeffizienten verglichen werden. Die Studie analysiert Unsicherheiten aufgrund von Turbulenzmodellen, freien Strömungsverhältnissen und dem Stacheleffekt und liefert wertvolle Erkenntnisse für das Fahrzeuglayout, die Flugbahn und die Kontrollsysteme. Bemerkenswert ist, dass das Kapitel Untersuchungen zu asymmetrischen Canard-Ablenkungen und dem Reynolds-Zahleneffekt enthält und eine detaillierte Beurteilung der aerodynamischen Leistung und Stabilität von ReFEx bietet.KI-Generiert
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AbstractReFEx is a Reusable Flight Experiment of the DLR. For the layout of the aerodynamic shape of the vehicle, the identification of a flight trajectory and finally the control systems, extensive data sets are necessary. The focus of this paper lays on the comparison of calculated versus measured aerodynamic coefficients. All simulations were carried out with the DRL TAU Code. The measurements were performed in the trisonic wind tunnel (TMK) of the DLR. One aerodynamic flight control element of ReFEx are the canards. The here presented analysis delivers a good agreement comparing the calculated and measured coefficients, looking at the symmetrical canard deflections. The occurred differences of the asymmetrical canard deflection are discussed in detail, including the numerical as well as experimental uncertainties.
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- Titel
- New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XIII
- Herausgegeben von
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Prof. Dr. Dr. Andreas Dillmann
Dr. Gerd Heller
Prof. Dr. Ewald Krämer
Prof. Dr. Claus Wagner
- Copyright-Jahr
- 2021
- Electronic ISBN
- 978-3-030-79561-0
- Print ISBN
- 978-3-030-79560-3
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-030-79561-0
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