Für einen Flugzeugentwurf werden besondere Anforderungen an die Sicherheit gestellt. Da die dynamischen Wechselwirkungen von Struktur und Aerodynamik von besonderer Bedeutung für die Stabilität sind, muss die Aeroelastik als deren Kombination explizit betrachtet werden, um eine sinnvolle Optimierung des Entwurfs zu gewährleisten. Die Zirkulation eines Profilschnitts kann beeinflusst werden, indem ein dünner Luftstrahl auf der Oberseite des Profils ausgeblasen wird.
Beispiel: Profilströmung ohne und mit Zirkulationskontrolle
Der Coanda-Effekt verhindert auch bei sehr großen Klappenausschlägen die Ablösung der Strömung. So kann eine erhebliche Steigerung des Auftriebs erreicht werden.
Die Aerodynamik eines Flugzeugs mit aktiver Zirkulationskontrolle kann nicht mit potentialtheoretischen Methoden beschrieben werden und wird daher mit numerischen Simulationen auf Grundlage der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) untersucht. Dieses Vorgehen erlaubt jedoch aufgrund des Berechnungsaufwands nur eingeschränkte Analysen des gekoppelten Systems.
Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 880 wird das FE-Strukturmodell des Flügels modal reduziert. Die aeroelastische Kopplung erfolgt erst im Modalraum.
Beispiel: Flatterformen des Flügels
Das resultierende reduzierte Modell ermöglicht systematische Stabilitätsuntersuchungen. Dabei zeigen sich zwei dynamische Instabilitäten, die allein aufgrund der aktiven Zirkulationskontrolle auftreten, reines Biegeflattern sowie reines Torsionsflattern. Bei beiden Phänomenen handelt es sich um Ein-Freiheitsgrad-Flattern, das unabhängig von der Geschwindigkeit auftritt, also auch bei niedrigen Geschwindigkeiten, z.B. im Landeanflug.
Bei der aktiven Schwingungsdämpfung schlanker umströmter Tragwerke wird die tragende Struktur um Aktuatoren und Sensoren erweitert, die Elemente eines Reglers sind. Mithilfe der Sensoren lassen sich Strukturverformungen identifizieren. Durch Ansteuerung der Aktuatoren kann diesen gezielt entgegengewirkt werden.
Für die Modellierung o.b. Systeme wird sowohl die Struktur als auch das Fluid mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode beschrieben. Zur Modellierung der Fluidnetzbewegungen bei umströmten Festkörpern, die große Rotationen erfahren können, kommt die PS-SSMU-Methode, eine Kombination von Shear-Slip-Mesh-Update-Method und Pseudo-Struktur-Ansatz, zum Einsatz.
Beispiel: Umströmte Platte mit piezoelektrischer Sensor- und Aktuatorschicht
Die Abbildungen zeigen das Geschwindigkeits- und Druckfeld sowie die Netzbewegung eines rotierenden Festkörpers mit piezoelektrischer Sensor- und Aktuatorschicht.
Als Folge verformungsabhängiger Strömungseinwirkungen können Tragwerke auch bei vergleichsweise geringen Windgeschwindigkeiten instabiles Systemverhalten aufweisen und innerhalb kurzer Zeit versagen. In Ergänzung zu aufwändigen Windkanalexperimenten erfolgt der Nachweis der Tragsicherheit häufig anhand numerischer Simulationen, bei denen die Strömungskräfte in Abhängigkeit von Druckbeiwerten formuliert sind. Hierbei werden die komplexen Strömungssituationen vereinfachend auf Grundlage der Mittelwerte für die zeitlich und räumlich fluktuierenden Druckbeiwerte berücksichtigt.
Die Zufallsprozessdarstellung der aerodynamischen Koeffizienten erfasst die unter realen Bedingungen unregelmäßig fluktuierende aerodynamische Einwirkung. Auf Grundlage gemessener Druckverteilungen erfolgt die stochastische Diskretisierung mit spektralen Methoden. Dies ermöglicht probabilistische Untersuchungen des Antwortverhaltens im Zeit- und Frequenzbereich.
Das Zusammenwirken von elastischen Tragwerken und sie umströmenden Fluiden ist insbesondere dann zu beachten, wenn Selbsterregungsmechanismen oder Resonanzphänomene zur Instabilität von Verformungszuständen führen. Für Struktur-Fluid-Interaktionen werden sowohl klassische Berechnungskonzepte mit gemessenen Leistungsspektren für Windanregung als auch Ansätze mit numerischer Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit direkter Ankopplung an die elastische Struktur entwickelt und für Tragwerksanalysen im Ingenieurwesen eingesetzt. Das Trag- und Schwingungsverhalten in Grenzsituationen kann so untersucht werden.
Beispiel: Aeroelastik des H-Querschnitts
Die Druckfelder zu verschiedenen Zeiten zeigen die Ablösung eines Wirbels an der oberen Vorderkante des Querschnitts.
Regen-Wind induzierte Schwingungen können bei gleichzeitiger Einwirkung von Regen und Wind an Kabeln und Hängern auftreten. Gefährdet sind vor allem Schrägseilbrücken und abgehängte Bogenbrücken sowie abgespannte Maste, Freileitungen und Hängebrücken. Es können Schwingungen mit großen Amplituden entstehen, welche sich negativ auf die Lebensdauer und die Gebrauchstauglichkeit der Bauwerke auswirken.
Beispiel: Kugelumströmung ohne und mit Prandtlschem Stolperdraht
Bei einer Kugel bewirkt ein in der kritischen Lage des Umschlagpunktes befestigter Drahtreif einen Umschlag von unter- zu überkritischer Strömung. Dies erfolgt bei einer wesentlich kleineren Reynoldszahl als bei einer ungestörten Kugel. Aufgrund der dadurch veränderten Druckverteilung kommt es zu einer Reduzierung des Strömungswiderstandes.
Das Phänomen des Prandtlschen Stolperdrahtes lässt sich nicht nur an Kugeln, sondern auch an Zylindern beobachten. Im Gegensatz zur festen Störung des Prandtlschen Stolperdrahtes liegen bei Regen-Wind induzierten Schwingungen bewegliche Störungen in Form von Rinnsalen vor. Zwischen der Bewegung der Kabel und der Rinnsale besteht eine Interaktion. Die Rinnsale oszillieren um den Ablösepunkt und bewirken einen regelmäßigen Strömungsumschlag zwischen unter- und überkritischer Umströmung, wodurch eine Schwingung des Seilquerschnitts induziert werden kann.
Mit der Erweiterung des bestehenden mechanischen Querschnittsmodells zur Beschreibung Regen-Wind induzierter Schwingungen auf reale räumliche Seilkonfigurationen gelingt es, Amplituden, Frequenzen und Schwingungsformen beliebiger Seilkonstruktionen bereits in der Entwurfsphase vorherzusagen.