New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XV
Contributions to the 24th STAB/DGLR Symposium, Regensburg, Germany, 2024
- 2026
- Buch
- Herausgegeben von
- Andreas Dillmann
- Gerd Heller
- Ewald Krämer
- Christian Breitsamter
- Claus Wagner
- Lars Krenkel
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Über dieses Buch
This book offers timely insights into research on numerical and experimental fluid mechanics and aerodynamics. It reports on findings by members of the Deutsche Strömungsmechanische Arbeitsgemeinschaft, STAB (German Aerodynamics/Fluid Mechanics Association) and the Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal Oberth e.V., 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.
Inhaltsverzeichnis
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Experimental Aerodynamics
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Frontmatter
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Underwater Investigation of Stall Onset on an Elliptic Profile via Temperature-Sensitive Paint
Marco Costantini, Benjamin D. Dimond, Christian Klein, Stephan Sattler, Massimo MiozziDieses Kapitel untersucht den Beginn des Stillstands auf einem elliptischen Profil mit einer relativen Dicke von 16%, wobei der Schwerpunkt auf Fließtrennung und Übergang bei moderaten Reynolds-Zahlen liegt. Die Studie wurde im großen Wasserkanal der TU Braunschweig mit temperatursensitiver Farbe (TSP) durchgeführt, um die räumliche und zeitliche Entwicklung von Oberflächentemperaturverteilungen zu erfassen. Die Untersuchung umfasste eine Reihe von Angriffswinkeln und Reynolds-Zahlen und offenbarte signifikante Veränderungen in Druckverteilungen und Strömungsabscheidungsmustern. Die Ergebnisse unterstreichen die Effektivität von TSP bei der Bereitstellung globaler, zeitaufgelöster Daten zur Strömungsentwicklung, die für die Validierung numerischer Vorhersagen instabiler Strömungsphänomene von entscheidender Bedeutung ist. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Strömung über die Oberseite des Modells bis zu bestimmten Angriffswinkeln anhielt, jenseits derer es zu einer massiven Strömungstrennung kam. Die detaillierte Analyse von Thermosignaturen bietet wertvolle Einblicke in die komplexen Strömungsstrukturen, die mit dem Einsetzen des Stalls einhergehen.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractThe onset of stall on an elliptic profile with 16% relative thickness was examined on a two-dimensional model investigated in the large water tunnel of Technische Universität Braunschweig. The model upper surface was equipped with a temperature-sensitive paint for the global, non-intrusive, time-resolved measurement of the surface temperature distribution. The model was also instrumented with a row of pressure taps to measure the surface pressure distribution. The results reported in this study focus on two chord Reynolds numbers and angles-of-attack around stall conditions. The flow was shown to remain attached for most of the profile chord length up to angles-of-attack of 11.5° and 13.0° at Reynolds numbers of 2.5 × 105 and 5.0 × 105, respectively, whereas a small increase of the angle-of-attack beyond these values led to massive flow separation. The spatial and temporal development of the thermal signatures of the separated flow structures was captured via temperature-sensitive paint at both pre-stall and stall conditions, including the time-dependent wall signature of stall cells. -
Hot-Film Measurements of Rotor Tip Vortices in a High Pressure Wind Tunnel
Erica Galli, Hauke T. Bartzsch, Alex Zanotti, C. Christian Wolf, Anthony D. GardnerDieses Kapitel vertieft sich in die komplexe Welt der Rotorspitzenwirbel, die für die Effizienzsteigerung von Hubschraubern und die Geräuschreduzierung von entscheidender Bedeutung sind. Mithilfe des Hochdruck-Wind-Kanals Göttingen (HDG) führten Forscher Messungen an einem skalierten Rotor durch, um Vortex-Reynolds-Zahlen zu erzielen, die mit Großhubschraubern vergleichbar sind. Die Studie verwendete Heißfilmanemometrie (HFA), um schnelle Geschwindigkeitsschwankungen in den Wirbeln zu erfassen. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die Flugbahn der Wirbel, der Einfluss der Reynolds-Zahl auf das Vortex-Kernwachstum und der Beginn der Wirbelpaarung. Die Studie vergleicht außerdem experimentelle Daten mit Vorhersagen aus den Vortex-Modellen Lamb-Oseen und Ramasamy-Leishman und zeigt dabei Diskrepanzen und Verbesserungsmöglichkeiten auf. Darüber hinaus untersucht die Studie den Einfluss des Grenzschichtübergangs auf das Wirbelverhalten und bietet Einblicke in Wirbelgeschwindigkeitsprofile. Die Ergebnisse liefern wertvolle Daten für die Entwicklung effizienterer und leiserer Hubschrauberkonstruktionen, was diese Forschung zu einem bedeutenden Beitrag auf dem Gebiet der Aerodynamik macht.KI-Generiert
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AbstractHelicopter rotors generate helical vortex systems that emerge at the blade tips, impacting both the aerodynamic and aeroacoustic performance of the rotor. Vortex properties are of significant interest, as previous research indicates they are influenced by the vortex Reynolds number. Studies of blade tip vortices at high Reynolds numbers are challenging for both numerical approaches and full-scale experiments; therefore, the High Pressure Wind Tunnel Göttingen (HDG) is employed. The HDG was used to conduct measurements on a rotor scale model in a hyperbaric environment in order to obtain vortex Reynolds numbers similar to a full-scale helicopter rotor. The results are compared to analytical vortex models to determine vortex characteristics such as position and core size when varying the Reynolds number. The findings demonstrate that the trajectory of the rotor tip vortices changes with the Reynolds number. Forced blade boundary layer transition showed an overall greater effect on the vortex trajectories than changing the Reynolds number in the range studied. Additionally, it is shown that in the range studied, \(2.0 \cdot 10 ^4 \le Re_v \le 15.9 \cdot 10^4\), the core radius growth with respect to vortex age decreases as the Reynolds number increases. -
Hot-Wire Measurements in Sequentially Sucked Boundary Layers
Richard von Soldenhoff, Paul Weigmann, Heinrich Lüdeke, Konstantin Thamm, Peter ScholzDieses Kapitel untersucht das Potenzial des sequenziellen Absaugens zur Laminierung der Grenzschicht auf Flugzeugrumpfen, um den Luftwiderstand und den Energieverbrauch zu verringern. Die Studie konzentriert sich auf die Machbarkeit mehrerer sequentieller Saugringe rund um den Rumpf und behandelt zentrale Forschungsfragen zur Wirksamkeit des Saugens bei unterschiedlichen Störamplituden und zur Zuverlässigkeit theoretischer Vorhersagen. Heißdrahtmessungen bieten detaillierte Einblicke in Grenzschichtprofile und Störungseigenschaften und vergleichen experimentelle Daten mit theoretischen Modellen. Die Ergebnisse zeigen die Effektivität des sequentiellen Absaugens bei der Verzögerung des Übergangs, wobei Heißdrahtmessungen eine gute Übereinstimmung mit Berechnungen des Grenzschichtlösers zeigten. Die Studie identifiziert auch die am weitesten nachgelagerte Saugposition für eine effektive Laminarisierung, die für die Entwicklung sequentieller Hybrid-Laminar-Flow-Control-Systeme (HLFC) von entscheidender Bedeutung ist. Die Untersuchung unterstreicht die Verschiebung der am stärksten verstärkten Frequenzen unter dem Sog und legt Bereiche für weitere Untersuchungen nahe. Insgesamt tragen die Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse zur praktischen Anwendung der sequenziellen Absaugung bei der Rumpflaminarisierung bei, was Auswirkungen auf Flugzeugdesign und Treibstoffeffizienz hat.KI-Generiert
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AbstractWind tunnel tests with a modular flat plate with applied multiple boundary layer suction are presented. Hot-wire measurements are conducted over the first and second suction panel to determine mean velocity profiles as well as disturbance frequency spectra and amplitudes. The mean velocity profiles show excellent agreement with calculations, whereas a shift in the frequency spectrum can be seen compared to Linear Stability Theory methods.Additionally, the maximum allowable disturbance level at the beginning of suction is evaluated, which is crucial for the design of a Hybrid Laminar Flow Control system with sequential suction areas. If the amplitude at the beginning of suction is higher, an intermittent region develops downstream. Inside this region, hot-wire measurements are used to investigate the degree of intermittency.
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High-Agility Configuration
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Frontmatter
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Numerical Investigation of Vortex-Breakdown Induced Tail Buffet on the DLR-F23 Configuration with Vertical Tail
Patrick Hartl, Matthias Konz, Marc Braune, Holger MaiDieses Kapitel beschäftigt sich mit der numerischen Untersuchung des Wirbelbruch-induzierten Tail Buffets an der Konfiguration des DLR-F23 mit einem vertikalen Tail. Die Studie konzentriert sich auf die Strömungseigenschaften von Flugzeugen mit hoher Agilität, die für ihre ausgedehnten Flughüllen und komplexen Wirbelströmungen bekannt sind. Zu den Schlüsselthemen zählen der Vergleich verschiedener CFD-Methoden wie URANS und hybride RANS-LES-Simulationen sowie deren Effektivität bei der Vorhersage aerodynamischer Anregungen. Die Untersuchung umfasst die Strömungsbedingungen, das rechnerische Netz und den numerischen Aufbau und liefert eine detaillierte Analyse des wirbeldominierten Strömungsfeldes. Die Ergebnisse verdeutlichen die Unterschiede in der Verteilung der mittleren Flächendrucke und der instabilen Flächendrucke zwischen den Methoden. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass URANS-Simulationen zwar erste Schätzungen des Frequenzgehalts liefern können, hybride RANS-LES-Simulationen jedoch notwendig sind, um die vom instabilen Flussfeld zum vertikalen Schwanz übertragenen Energieniveaus präzise zu erfassen. Diese umfassende Analyse bietet wertvolle Einblicke in die aerodynamische Anregung vertikaler Leitwerke und die Zuverlässigkeit verschiedener CFD-Methoden.KI-Generiert
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AbstractIn this study, the vortex-dominated flow field of the DLR-F23-T hybrid-delta-wing configuration with a vertical tail is investigated numerically. The focus of this work is on the investigation of the vortex breakdown and the aerodynamic excitation of the vertical tail (buffet) at a Mach number of 0.55 and medium to high angles of attack. High pressure fluctuations with distinct frequency contents characterize the flow field downstream of the vortex breakdown and are responsible for the excitation of the vertical tail. URANS simulations and Improved Delayed Detached Eddy Simulations (IDDES) are performed for one selected case at \(\alpha =24^{\circ }\). The frequency analysis of the root bending moment shows a strong excitation of the vertical tail at a reduced frequency of \(k \approx 1\), which can be assigned to the helical mode instability of the vortex breakdown flow. -
Applicability of Oil Film Interferometry in 3D Shock-Boundary Layer Interactions
Wieland Lühder, Erich SchüleinDieses Kapitel befasst sich mit dem Einsatz der Ölfilm-Interferometrie (OFI) zur Messung der Verteilungen von Wandschubspannungen in 3D-Schockgrenzschichtinteraktionen (SBLI), die durch eine einzige Lamelle auf einer flachen Platte hervorgerufen werden. Die Studie konzentriert sich auf die Bewertung der quasi-konischen Symmetrie der Strömungseigenschaften, die für das Verständnis der grundlegenden Physik des SBLI, die für die Einlassöffnungen von Überschall- und Hyperschallmotoren von Fahrzeugen relevant ist, von entscheidender Bedeutung ist. Dazu werden Experimente im Windkanal Rohrwindkanal Göttingen durchgeführt und 3D-RANS-Simulationen durchgeführt, um die Ergebnisse zu vergleichen und zu validieren. Die Studie untersucht auch die Auswirkungen von Druckgefälle und Schwerkraft auf die Ölfilmbewegung, die bei OFI-Anwendungen oft übersehen werden. Die Ergebnisse zeigen die erfolgreiche Kombination experimenteller und numerischer Daten und unterstreichen die Zuverlässigkeit des OFI bei der Erfassung detaillierter Strömungseigenschaften. Das Kapitel schließt mit der Betonung, wie wichtig es ist, die Auswirkungen des Druckgradienten in zukünftigen OFI-Experimenten zu berücksichtigen, um die Genauigkeit der Messungen zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractThe 3D shock wave turbulent boundary layer interaction (SBLI) past a single fin on a flat plate features a quasi-conical symmetry apart from the inception region near the leading edge of the fin. However, the validity of this symmetry varies for different flow quantities and has not yet been verified for e.g. wall stream lines or wall shear stress. In this study, oil film interferometry (OFI) is used to measure the areal distribution of wall shear stress within the 3D interaction region induced by a single fin at Mach 3 and a fin angle of \(16^{\circ }\) and \(20^{\circ }\). With improved and automatised evaluation procedures, the quasi-conical symmetry is demonstrated and used to further improve the OFI measurements. Additionally, 3D RANS simulations were performed for mutual verification and to quantify the disturbing effect of pressure gradients on the OFI results, which are usually neglected in OFI applications. -
Experimental and Numerical Investigation of the Vortical Flow on the Transonic Missile LK6E2
Christian Schnepf, Erich SchüleinDiese Studie untersucht die komplexen Wirbelströmungsphänomene der Transonrakete LK6E2 und konzentriert sich dabei auf das nichtlineare aerodynamische Verhalten, das bei hohen Angriffswinkeln beobachtet wird. Durch eine Kombination aus Windkanaltests und numerischen Simulationen identifiziert die Forschung einen entscheidenden Bruch in der Entwicklung des rollenden Moments, der auf eine plötzliche Änderung der Wirbeltopologie an einem der Flügel der Rakete zurückzuführen ist. Die Untersuchung verwendet fortschrittliche Messtechniken wie druckempfindliche Farbe (PSP) und Ölfilminterferometrie (OFI), um detaillierte Oberflächendruckverteilungen und Schubspannungslinien zu erfassen. Diese experimentellen Daten werden mit Ergebnissen aus RANS-Simulationen verglichen, was die Herausforderungen bei der präzisen Vorhersage von Strömungsphänomenen mit hohem Angriffswinkel verdeutlicht. Die Studie zeigt, dass geringfügige Anpassungen im numerischen Aufbau, insbesondere die Behandlung der vordersten Grenzschicht, das vorhergesagte Strömungsfeld und die integralen Momente signifikant beeinflussen. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Windkanaldaten für die Validierung und Verbesserung von Strömungslösern und Turbulenzmodellen, insbesondere am Rand der Flughülle. Diese umfassende Analyse liefert wertvolle Erkenntnisse zur Verbesserung des Designs und der Leistung von Raketen mit hoher Manövrierfähigkeit und anderen Konfigurationen, die in hohen Angriffswinkeln operieren.KI-Generiert
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AbstractThis study analyzes the vortical flow around the generic transonic missile DLR-LK6E2 using wind tunnel data, complemented by numerical simulations. Pressure-sensitive paint and oil film interferometry proved highly effective, providing detailed insights into flow separations on the missile’s wings. Initially, two wings exhibited identical flow development; however, beyond a certain angle of attack—at a roll angle of \(45^\circ \) and Mach 0.85—their flow behavior diverged. This asymmetry in flow development is reflected in the rolling moments as a distinct break in the angle-of-attack-dependent curve. Comparisons with RANS simulations revealed that the accurate numerical prediction of the rolling moments requires the capture of this flow asymmetry. -
Development of Leading-Edge Vortices in Subsonic and Transonic Conditions
Eike Tangermann, Elias Schmidt, Karthick Rajkumar, Markus KleinDiese Studie untersucht die Entwicklung und den Zusammenbruch führender Wirbel (LEV) unter Unter- und Überschallbedingungen und konzentriert sich dabei auf Delta-Flügel-Konfigurationen, die für Hochgeschwindigkeits-Kampfflugzeuge von entscheidender Bedeutung sind. Die Forschungsergebnisse zeigen, wie der Wirbelbruch Auftrieb, Pitching-Momente und Rollmomente beeinflusst, insbesondere in höheren Angriffswinkeln. Es untersucht die stabilisierenden Effekte der Kompressibilität und die Interaktion zwischen Erschütterungen und Wirbeln, die einen Wirbelkollaps auslösen können. Die Studie stützt sich auf numerische Simulationen und experimentelle Daten, um die Ergebnisse zu validieren und eine umfassende Analyse der Wirbeldynamik zu liefern. Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehören die Auswirkungen unterschiedlicher Mach-Zahlen auf die Wirbelstabilität und die Rolle der Kompressibilität bei der Verzögerung des Wirbelabbaus. Die Ergebnisse bieten wertvolle Anhaltspunkte für die Entwicklung effizienterer und stabilerer Delta-Tragflächen für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge.KI-Generiert
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AbstractThe flow around delta wings is dominated by a system of vortices. Within the present work, a double delta wing is investigated with regard to the development of these vortex systems at different Mach numbers. Data from Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) simulations are evaluated to describe features and mechanisms of the vortical flow. To analyze different effects within the vortex flow, the accelerating contribution of vorticity source terms on the core velocity is discussed under different conditions leading to the conclusion that depending on the wing planform compressibility effects can stabilize or destabilize the vortex. Finally, the observation of swirl numbers and their development along the vortex indicates a relation to the breakdown behavior. This relation is used as an indication of shock-vortex interaction.
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Hypersonic Aerothermodynamics
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Frontmatter
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DNS of an Oblique-Breakdown Transition in an Impinging-Shock/Flat-Plate-Boundary-Layer Interaction Flow
Jan Niklas Kuhnlein, Alexander Theiß, Christian Schnepf, Christian StemmerDieses Kapitel befasst sich mit den komplexen Phänomenen der Wechselwirkung von Schockwellen und Grenzschichten (SWBLIs) in Hyperschallströmungen und konzentriert sich dabei auf ihre Auswirkungen auf den Wärmetransfer und den Übergang zu Turbulenzen. Die Studie verwendet Direct Numerical Simulations (DNS), um zu untersuchen, wie unterschiedliche Störungsamplituden den Übergangsprozess und die Überschreitung des Wärmeflusses beeinflussen. Zu den Schlüsselthemen gehören die Geometrie und die Strömungsbedingungen des Flachplattenmodells, die Berechnungsmethodik für DNS und die Bewertung von Hautreibung und Stanton-Zahlenverteilungen. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie zunehmende Störungsamplituden den Übergang zu einer vollständig turbulenten Strömung beschleunigen und die Größe von Trennblasen verringern. Bemerkenswerterweise führt die höchste Störungsamplitude zu einer deutlichen Überschreitung der Stanton-Zahl, was auf einen raschen Abschluss des Übergangs hindeutet. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das schräge Durchbruchsszenario allein die experimentellen Ergebnisse möglicherweise nicht vollständig wiedergibt, aber weitere Untersuchungen grundlegender und kombinierter Durchbruchsprozesse notwendig sind, um Übergangsphänomene in Hyperschallströmungen besser zu verstehen und vorherzusagen.KI-Generiert
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AbstractIn this study, Direct Numerical Simulations (DNS) are performed for transitional shock-wave/boundary-layer interactions (SWBLIs) on a flat plate at Mach 6 for impinging-shock angles of 12.4\(^{\circ }\) and 13.0\(^{\circ }\). A first mode oblique breakdown transition scenario is forced in the simulations by disturbing the boundary-layer flow upstream of the SWBLI. The boundary-layer transition in the SWBLI region is influenced by the amplitude of the artificial disturbances. The skin-friction and the heat-transfer rate at the wall affected by SWBLIs are analyzed. For the given scenario, the transition can be forced by an oblique breakdown mechanism with reasonable perturbation amplitudes. However, higher amplitudes are necessary to trigger rapid shock induced transition to fully turbulent flow. -
Parametric Grid Fin Design Study for the T3 Vehicle Within SALTO
Jens NeumannDiese Studie untersucht die Konstruktion und Optimierung von Netzrippen für das wiederverwendbare T3-Fahrzeug im Rahmen des SALTO-Projekts. Die Forschung konzentriert sich auf den Einfluss verschiedener geometrischer Parameter auf die aerodynamische Leistung und Masse der Gitterrippen. Zu den Hauptuntersuchungsfeldern gehören der Einfluss von Zellabstand, Sehnenlänge, Kehrfaktor und Vorderkantenradien auf den Kraftkoeffizienten und das Volumen der Gitterrippen. Die Studie untersucht auch die Auswirkungen erhöhter Wanddicken auf die aerodynamische Leistung. Insbesondere wurde eine Kombination von Parametern identifiziert, die die aerodynamische Leistung bei gleichbleibendem Gewicht um bis zu 18,6% steigern können. Die Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in die Konstruktion und Optimierung von Netzrippen für wiederverwendbare Trägerraketen und bieten eine umfassende Analyse der geometrischen Parameter, die ihre Leistung beeinflussen.KI-Generiert
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AbstractNumerical simulations were conducted to investigate the aerodynamic performance of grid fins for a reusable first stage, within the SALTO project. The influence of the descent trajectory was taken into account. This study provides a systematic overview of the geometric parameters of grid fins and their effects on mass and steering forces generated. The results are compared to a baseline geometry. Parameter combinations were analysed that lead to a slightly lighter and aerodynamically improved geometry. -
Comparison of Numerical Models for Hypersonic Continuum Flow Analysis
Philip Seitz, Matti Keller, Martin KonopkaDieses Kapitel vertieft den Vergleich dreier numerischer Modelle, die für die Hyperschall-Kontinuum-Strömungsanalyse verwendet werden: des DLR-Tau-Codes mit Gleichgewichtschemie, des DLR-Tau-Codes mit Nichtgleichgewichtschemie und des hauseigenen Newton-Methodenlösers STRAT. Die Studie bewertet diese Modelle anhand zweier Referenzfälle, eines 2D-Zylinders und der EURASTROS-Kapsel, um ihre Genauigkeit und Anwendbarkeit zu beurteilen. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die zunehmende Abweichung der Wärmestromprognosen zwischen Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsmodellen bei höheren Mach-Zahlen und die gute Übereinstimmung der aerodynamischen Koeffizienten zwischen STRAT und dem Tau-Code des DLR für die EURASTROS-Kapsel. Das Kapitel unterstreicht auch die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen des Zustands der katalytischen Wandgrenzen und der Grenzen von STRAT bei der Modellierung turbulenter Wärmeübertragung. Insgesamt bietet der Vergleich wertvolle Einsichten in die Stärken und Schwächen der einzelnen Modelle und leitet ihren Einsatz in zukünftigen aerothermodynamischen Hyperschallanalysen.KI-Generiert
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AbstractReynolds averaged Navier-Stokes and Newton method computations are performed for reentry bodies in hypersonic continuum flow using the computational fluid dynamics (CFD) solver DLR Tau code. The present work intends to compare the DLR Tau code models for equilibrium and non-equilibrium chemistry with the predictions of the Newton method model STRAT, with the purpose of identifying a suitable and versatile setup for the evaluation of different geometries in predevelopment. Special focus hence is on the consistent modeling of wall heat transfer and identifying possible limitations of the models. Equilibrium and non-equilibrium chemistry models are reviewed on reference cases from literature as well as approximate correlations for heat transfer. The equilibrium chemistry, the non-equilibrium, and the Newton method model first are compared on a representative test case of a 2D cylinder for a range of load points common for reentry trajectories. Differences in the reference work are discovered and solved in cooperation with the authors including a difference in cylinder radius. Comparison with approximate correlations for heat transfer shows inconsistencies in the STRAT heat transfer module when applied to 2D geometries. The EURASTROS case further aims to reproduce the capsules’ aerodynamic coefficients, as well as the heat flux and pressure distributions. The DLR Tau code provides accurate results for the aerodynamic coefficients at a maximum deviation of −1.16% from the reference work for cD. Larger deviations of up to −14.3% are found for the heat flux distribution. STRAT presents reasonable results for the pressure distribution and aerodynamic coefficients within 5.1% deviation to Tau, but shows larger deviations of up to 46.9% in stagnation point heat flux.
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Multidisciplinary Optimization
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Frontmatter
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Parametric Aerodynamic Shape Optimization with Latent Diffusion
Long Chen, Jan Rottmayer, Tobias Kortus, Emre Özkaya, Nicolas R. Gauger, Yinyu YeDieses Kapitel untersucht die Anwendung latenter Diffusionsmodelle in der parametrischen aerodynamischen Formoptimierung, wobei der Schwerpunkt auf der Erzeugung effizienter Profilkonstruktionen liegt. Der Text vertieft die Integration dieser Modelle in bestehende Design-Workflows, insbesondere unter Verwendung der Hicks-Henne-Methode zur Parametrierung von Tragflächen. Es bietet einen detaillierten Vergleich zwischen diffusionsbasierter Optimierung und traditionellen Methoden und zeigt die Vorteile der ersteren auf, wenn es darum geht, niedrigere Luftwiderstandskoeffizienten zu erreichen und komplexe Designräume zu navigieren. Das Kapitel behandelt auch die Implementierung der vorgeschlagenen Methode mit dem Python-Paket DiffusionAirfoil, das den gesamten Prozess von der Datenaufbereitung bis zur Formoptimierung erleichtert. Optimierungsergebnisse zeigen die Effektivität des diffusionsbasierten Ansatzes bei der Erzeugung aerodynamisch effizienter Formen, selbst für Designs, die in den Trainingsdaten nicht zu finden sind. Der Text schließt mit einer Diskussion über die allgemeineren Implikationen und potenziellen Anwendungen latenter Diffusionsmodelle im Design aerodynamischer Formen.KI-Generiert
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AbstractWe present a data-informed approach to parametric aerodynamic shape optimization with latent diffusion. Generative models have shown success in shape design applications, where these models are often used as novel shape parameterization methods. We take a different perspective: instead of introducing new parameterization methods that substitute existing approaches, we empower existing approaches through a latent diffusion process. The construction of our method is based on the fact that virtually any shape parameterization method that maps between parameter space and shape space can be considered as a shape en-/decoder. In this work, we demonstrate our method using aerodynamic shape optimization of airfoils. We use the Hicks-Henne method (HHM) for shape parameterization, the UIUC airfoil database as training data, SU2 as the CFD solver, and Bayesian Optimization as optimizer. -
Adjoint-Based Aerodynamic Shape Optimization with Free Laminar-Turbulent Transition
Daniela Gisele François, Andreas Krumbein, Cornelia GrabeDieses Kapitel untersucht die Integration der freien laminar-turbulenten Übergangsprognose in die aerodynamische Formoptimierung mit dem TAU-Code des DLR. Der Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung des diskreten Adjoint Solvers, um dem Übergang Rechnung zu tragen, der für die Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Flugzeuge von entscheidender Bedeutung ist. Der Text geht auf die Kopplungsstrategie zwischen dem Transittransportmodell des DLR und dem südafrikanischen Turbulenzmodell ein und beschreibt die Änderungen des Turbulenzmodells und die Implementierung in den Adjoint Solver. Das Optimierungskonzept wird beschrieben, einschließlich der Verwendung eines pythonbasierten Optimierers und der Parametrisierung der Profilform. Die Ergebnisse von Einpunkt- und Mehrpunktoptimierungen werden präsentiert, wobei die Verbesserungen der aerodynamischen Leistung und die Auswirkungen des Übergangs auf den Optimierungsprozess hervorgehoben werden. Das Kapitel vergleicht auch verschiedene Optimierungsansätze, wie eingefrorene Turbulenzen und völlig turbulente Optimierungen, und diskutiert die Relevanz der Berücksichtigung des Übergangs für optimale Designergebnisse. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, Übergangseffekte in die aerodynamische Formoptimierung einzubeziehen, um bessere Leistung und Effizienz im Flugzeugdesign zu erreichen.KI-Generiert
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AbstractThe DLR TAU code capabilities were extended for gradient-based shape optimization with free laminar-turbulent transition by incorporating the DLR \(\gamma \) transition transport model coupled to the negative Spalart-Allmaras turbulence model to its adjoint solver. The implementation was tested on the transonic airfoil RAE 2822 by comparing the outcome of different optimization approaches. The results reveal that transition must be included to avoid sub-optimal outcomes and the relevance of the selected object function on the optimization mechanism. -
Multidisciplinary Design Methods for UAVs and the Application to the Air Cargo Challenge 2024
Jannik Frank, Yannick Schäfer, Tjalf Stadel, Gregor ZwicklDieses Kapitel befasst sich mit den multidisziplinären Konstruktionsmethoden für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), insbesondere für die Air Cargo Challenge 2024. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Optimierung von Flugzeuggeometrie und Nutzlastmasse unter vordefinierten Einschränkungen wie einem festen Motor und maximalen Abmessungen der Transportbox. Die Designmethodik integriert aerodynamische Modellierung mittels Xfoil und Avl, Flugperformance-Modellierung und detaillierte Analyse verschiedener Flugsegmente wie Start, Steigung, Effizienz und Entfernung. Das Kapitel behandelt auch Gewichtsabschätzung, anfängliche Größenberechnung und Designoptimierung, die in der Konstruktion und Flugprüfung des endgültigen Flugzeugs gipfeln. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Flugleistungen, die die Designmethodik bestätigt. Der Text unterstreicht die Bedeutung parametrischer Studien und Sensitivitätsanalysen für das Erreichen optimaler Designparameter und diskutiert zukünftige Verbesserungen, wie etwa maschinelle Lernansätze zur Profiloptimierung.KI-Generiert
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AbstractThis paper presents the design methodology developed by the academic aeromodeling group of the University of Stuttgart for the student UAV competition Air Cargo Challenge. The approach involves a multidisciplinary aircraft optimization considering aerodynamics, structural aspects, propulsion, and flight path optimization. A Python-based tool was created to calculate flight performance characteristics during a competition flight mission, enabling the evaluation of the design quality through the competition score, which serves as the single figure of merit for the design. The analysis of the wing is carried out using a combination of Avl and Xfoil, along with handbook methods calibrated through wind tunnel measurements for fuselage and landing gear. Additionally, a simplified propulsion and battery model is used. Extensive parameter studies are done to find a suitable synergetic parameter combination. For design optimization, an iterative optimization of the airfoil using Xoptfoil2 and resizing of the wing is described. The final design was then manufactured using lightweight composite materials and successfully deployed in the competition flights. A comparison of the measured flight performance with the calculated results shows good agreement. -
Hybrid B-Spline-Targets Airfoil Parametrization with a Direct Link to CAD-Based Aircraft Geometry
Časlav Ilić, Patrick WegenerIn diesem Kapitel wird eine neuartige Methode zur Parametrierung von Tragflächen mit dem Namen Hybrid B-Spline-Targets (HBT) vorgestellt, die konstruktionsrelevante Messgrößen wie Gesamtdicke, Sturz und Dickenverteilung direkt beibehält. Die Methode ist so konzipiert, dass sie innerhalb von CAD-Systemen wie Dassault CATIA funktioniert, wobei B-Splines verwendet werden, um Profiloberflächen darzustellen. Die HBT-Parametrisierung ermöglicht es Konstrukteuren, die Form des Profils durch eine Reihe von Konstruktionsparametern zu kontrollieren, die bijektiv in CAD-B-Spline-Koordinaten umgewandelt werden. Das Kapitel beschreibt die Methodik, einschließlich der Definition der Trägheitsdicke, der Konstruktion von Sturzstellen und der Einführung von Dickenausgleichs- und Beulfunktionen. Eine Demonstration mit der Konfiguration des DLR-F25 zeigt die Wirksamkeit der HBT-Parametrierung bei der aerodynamischen Optimierung und vergleicht sie mit der reinen B-Spline-Parametrierung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die HBT-Parametrisierung keine unerwarteten nichtlinearen Effekte mit sich bringt und bei komplexen Optimierungsproblemen, bei denen Derivate verrauschen oder Näherungswerte gemacht werden, von Vorteil sein könnte. Das Kapitel schließt mit der Diskussion der potenziellen Vorteile der HBT-Parametrisierung bei der Reduzierung der Anzahl der Entwurfsparameter und -beschränkungen, wodurch sie für verschiedene Optimierungsalgorithmen geeignet ist.KI-Generiert
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AbstractThis work presents an airfoil parameterization method, called hybrid b-spline–targets (HBT), that enables a human designer or an optimization algorithm to separately control airfoil overall thickness, nose radius, camber distribution, and thickness distribution, while at the same time preserving a standard b-spline representation of the airfoil lower and upper surface in a CAD system, by means of a parameter transformation external to the CAD system. The parametrization methodology, transformation between HBT and b-spline parameters, and an optimization demonstration on a transonic wing-body transport aircraft configuration with RANS flow modeling are presented. -
Generalized Derivative Enhanced Surrogate Modeling Framework for Aerodynamic Design Optimization
Emre Özkaya, Nicolas R. GaugerDieses Kapitel stellt einen neuartigen Ansatz zur Derivatverbesserung im Rahmen der Effizienten Globalen Optimierung (EGO) vor, der sich auf kritische Fragen der aerodynamischen Designoptimierung konzentriert. Die Methode nutzt direktionale Derivate von Basisfunktionen in Gaußschen Prozessregressionsmodellen, um die Konvergenzraten zu verbessern und die Berechnungskosten zu senken. Der Text diskutiert die Herausforderungen kostspieliger objektiver Funktionsbewertungen, Gradientenbeschränkungen und multimodaler Antwortflächen und präsentiert eine vergleichende Studie globaler Optimierungsalgorithmen. Eine praktische Anwendung der Methode in der aerodynamischen Formoptimierung wird demonstriert und ihre Wirksamkeit bei der Reduzierung des Luftwiderstands unter Beibehaltung von Lift- und Flächenbeschränkungen unter Beweis gestellt. Die Optimierungsgeschichte und der Leistungsvergleich unterstreichen die Vorteile des derivativ erweiterten EGO-Ansatzes gegenüber herkömmlichen Methoden.KI-Generiert
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AbstractWe present a derivative-enhanced Gaussian Process Regression surrogate model designed for aerodynamic design optimization. The proposed model can incorporate arbitrary directional derivatives of an objective function alongside the functional values during model training. By leveraging this additional derivative information, the surrogate model is better equipped to capture the true tendencies in the data, effectively mitigating the issue of over-exploration commonly encountered in the Bayesian optimization framework. This approach ensures more accurate and reliable predictions, ultimately enhancing the efficiency of the optimization process. The proposed framework was tested on a generic shape optimization problem, specifically the drag minimization of the RAE2822 airfoil under lift and cross-sectional area constraints. The results demonstrated a significant improvement in the convergence rate of the optimization process when gradient evaluations were selectively used. -
Sobolev Learning for Bayesian Neural Network Assisted Aerodynamic Shape Optimization
Jan Rottmayer, Long Chen, Nicolas R. GaugerDieses Kapitel befasst sich mit der Anwendung des Sobolev-Lernens auf Bayessche Neuronale Netze (BNNs) für Surrogatmodelle in der Bayesschen Optimierung (BO), wobei der Schwerpunkt auf der aerodynamischen Formoptimierung (ASO) liegt. Die Studie untersucht, wie die Integration von Gradienten-Informationen durch Sobolev-Lernen die Leistungsfähigkeit von BNNs verbessern und sie zu effektiveren Surrogaten in komplexen Optimierungslandschaften machen kann. Die Studie vergleicht verschiedene Surrogatmodelle, darunter Gaußsche Prozesse (GPs), Gradient-Enhanced Gaussian Processes (GEGPs) und traditionelle BNNs, mit den vorgeschlagenen Gradient-Enhanced Bayesian Neural Networks (GEBNNs). Durch synthetische Benchmarks wie die Ackley- und die eingeschränkte Hartmann-Problematik beleuchtet die Studie die Stärken und Grenzen gradientenerhöhter Modelle in verschiedenen Optimierungsszenarien. Das Kapitel stellt auch eine praktische Anwendung in der ASO vor und zeigt, wie GEBNNs den Luftwiderstand eines NACA 0012-Profils unter Transchallströmungsbedingungen optimieren und damit herkömmliche Modelle übertreffen können. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der GEBNs bei der Bewältigung hochdimensionaler, nicht stationärer Optimierungsprobleme und bieten ein vielversprechendes Werkzeug für fortschrittliches aerodynamisches Design.KI-Generiert
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AbstractThis paper presents a Sobolev-adapted Bayesian Neural Network (BNN) framework for aerodynamic shape optimization (ASO) within a Bayesian Optimization (BO) context. By integrating gradient information through Sobolev training, the proposed Gradient-Enhanced BNN (GEBNN) efficiently leverages first-order information to enhance data efficiency and adaptability in non-stationary design spaces. Benchmark tests illustrate the GEBNN’s effectiveness in ASO scenarios, demonstrating its potential as a flexible and robust surrogate model for complex, constrained, nonlinear optimization problems.
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- Titel
- New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XV
- Herausgegeben von
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Andreas Dillmann
Gerd Heller
Ewald Krämer
Christian Breitsamter
Claus Wagner
Lars Krenkel
- Copyright-Jahr
- 2026
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-032-11115-9
- Print ISBN
- 978-3-032-11114-2
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-032-11115-9
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