Strömungsanalyse bei Micro-Air-Vehicles mit feststehenden und schlagenden Flügeln

Übersicht Die vorliegende Arbeit widmet sich der Umströmung unprofilierter starrer und schlagender Flügel von unbemannten Kleinstflugzeugen der Klasse der Micro Air Vehicles. Die Aerodynamik dieser Fluggeräte in einem typischen Reynolds Zahl-Bereich zwischen 104 und 105 ist gekennzeichnet durch großräumige Strömungsablösungen mit komplexen Wirbelsystemen im Inneren. Hierbei werden die aerodynamischen Reaktionskräfte in erster Linie durch die wirbelinduzierte Druckverteilung auf der Flügelfläche erzeugt. Nun, mit dem Aufkommen der Micro Air Vehicles, besteht auf diesem Gebiet ein Erkenntnisbedarf an den Zusammenhängen zwischen der Entstehung und Entwicklung der Wirbeltopologie und den aus ihr folgenden Beiwertverläufen in Verbindung zu Flügeleigenschaften und Parametern der Schlagflugkinematik. Die Untersuchungen hierzu fanden im Rahmen des DFG Förderprogramms Instationäre Aerodynamik von Tragflügeln bei kleinen Reynolds-Zahlen u. a. mittels Kraftmessungen im Windkanal als auch mittels eines numerischen Ansatzes statt. Beide genannten Vorgehensweisen werden in dieser Arbeit eingehend gegenüber analytischen Lösungen sowie den Forschungsergebnissen Dritter und weiteren Messergebnissen aus dem genannten Projekt validiert und bewertet. Zusätzlich werden die gewonnenen aerodynamischen Erkenntnisse vorgestellt. Die Windkanalexperimente wurden in einer dafür eigens hergestellten Messumgebung, dem MAV-Lab der TU Braunschweig durchgeführt. Die Qualität der Kraftmessung als auch der ausgeführten Flügelschlagbewegung wird auf Basis der Monte Carlo-Methode sowie anhand alternativer Messungen analysiert. Bei der Kraftmessung unter statischen Bedingungen sowie bei der Bewegungserzeugung des Flügelschlags zeichnet sich der Aufbau durch eine sehr gute Genauigkeit aus, die auf dem hohen Niveau etablierter, für denselben Zweck optimierter Versuchsanlagen liegt. Die Kraftmessung beim Schlagflug findet im Spannungsfeld von mit der Reynolds Zahl überproportional schwindenden aerodynamischen Kräften und mit der Schlagfrequenz überproportional anwachsenden inertialen Kräften statt. Der verfolgte numerische Ansatz entspricht einer auflösungsreduzierten Direkten Numerischen Simulation, DNS, wobei als Voraussetzung ein vernachlässigbarer Einfluss der Turbulenz im genannten Reynolds Zahl-Bereich nachgewiesen werden kann. Hierin liefert diese Vorgehensweise Ergebnisse in durchgehend guter Über-einstimmung zu experimentellen und analytischen Vergleichsfällen. Sie stellt somit eine geeignete Methode zur Erforschung der genannten Strömungstopologien und Einflussgrößen dar, wobei sie klassischen, zu stark vereinfachenden Ansätzen in Aussage und Erkenntnisgewinn überlegen ist und gegenüber einer echten DNS bereits mit aktueller Rechenleistung umsetzbar ist. So werden in dieser Arbeit grundlegende Strömungstopologien anhand primärer und sekundärer Wirbelphänomene ermittelt, grundsätzliche Unterschiede aufgrund von Flügelform und streckung aufgezeigt und die Bedeutungen der Bewegungsparameter hinsichtlich Wirbelentwicklung sowie Effektivität und Effizienz bei der gezielten Erzeugung gewünschter aerodynamischer Kraftverläufe herausgearbeitet.