B1.4 - Transition Prediction and Design of Hybrid Laminar Flow Control on Blended Wing Bodies Based on 3D Parabolized Stability Equations

Grundlagen

Blended-Wing-Body (BWB)-Konfigurationen mit einem signifikanten Anteil an laminarer Grenzschichtströmung sind ein vielversprechendes Konstruktionskonzept für zukünftige, nachhaltige und energieeffiziente Langstreckenflugzeuge. Die gemischten dreidimensionalen (3D) Formen solcher Flugzeuge unterscheiden sich jedoch sehr stark von denen konventioneller Flügel. Bei konventionellen Flügeln sind die Gradienten der 3D-Grenzschichtströmung in Spannweitenrichtung typischerweise viel kleiner als die Gradienten in Sehnenrichtung. Daher wird für die Vorhersage des laminar-turbulenten Übergangs gewöhnlich eine Annahme mit unendlicher Pfeilung (ISW) getroffen, die entweder auf der lokalen Stabilitätstheorie (LST) oder auf Parabolized Stability Equations (PSE) basiert. Der Standard-PSE-Ansatz für ISW-Bedingungen erwies sich als geeignet, die Ausbreitung und das Wachstum der verschiedenen Instabilitätsmoden, die den laminar-turbulenten Grenzschichtübergang auslösen, physikalisch korrekt zu modellieren, wobei auch das Wachstum der Grenzschicht, die Auswirkungen von Stromlinien- und Oberflächenkrümmung sowie die stromaufwärts gerichtete Herkunft der Instabilitätsmoden berücksichtigt werden. In beiden Ansätzen wird das gesamte lineare Störungswachstum überwacht und durch den sogenannten N-Faktor gemessen. Es wird angenommen, dass der Übergang zur turbulenten Strömung an der stromabwärtigen Position stattfindet, an der ein zuvor kalibrierter kritischer N-Faktor-Wert zum ersten Mal erreicht wird.

Bei der 3D-Form von gemischten Flügelkörpern wird die ISW-Annahme aufgrund der vollständig 3D-Natur des Grenzschicht-Strömungsfeldes ungültig. Daher ist der Standard-PSE-Ansatz nicht mehr angemessen und sollte durch fortschrittlichere PSE-3D-Konzepte ersetzt werden, die auch Spannweitengradienten berücksichtigen. Es können adjungierte parabolisierte Stabilitätsgleichungen abgeleitet werden, die dann durch ein Marschverfahren mit umgekehrter Marschrichtung gelöst werden müssen. Die adjungierten PSE liefern Informationen über die Empfindlichkeit der Grenzschichtströmung und wurden erfolgreich zur Modellierung bestimmter linearer Aufnahmemechanismen eingesetzt.

Eine Werkzeugkette, die auf direkten und adjungierten Navier-Stokes-Lösern basiert und mit direkten und adjungierten PSE-3D-Lösern gekoppelt ist, würde eine iterative gradientenbasierte Form- und Saugoptimierung ermöglichen und damit die erforderlichen Entwurfsmöglichkeiten für die Steuerung der hybriden laminaren Strömung auf BWB bieten.

Ziele

1. Aufbau des Know-hows und der Fähigkeiten für eine physikalisch begründete N-Faktor-basierte Übergangsvorhersage auf 3D-Formen wie z.B. gemischte Flügelkörper und die Validierung der vorgeschlagenen Übergangsvorhersage-Strategie

2. Entwicklung effizienter gradientenbasierter Designfähigkeiten für optimierte hybride Laminarströmungs-Steuerungskonzepte mit dem Ziel der Reduzierung des viskosen Luftwiderstands an 3D-Formen