Conceptual Design of Boundary Layer Suction System for Energy Efficient Laminar Flow Control
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Beschreibung
Die hybride Laminarhaltung (engl: hybrid laminar flow control, HLFC) ist eine der Technologien,
die ein erhebliches Potenzial zur Reduzierung des Luftwiderstands von Flugzeugen
aufweist. Obwohl das Konzept der HLFC bereits in den 1960er Jahren erprobt wurde,
wird ein zuverlässiges, wirtschaftlich tragfähiges und energieeffizientes System immer
noch nicht kommerziell genutzt. Einer der Hauptgründe, der den Einsatz von HLFC in
der kommerziellen Luftfahrt einschränkt, ist das komplexe Systemdesign, welches einen
entscheidenden Einfluss auf den Leistungsbedarf und die zusätzliche Masse hat. In der
vorliegenden Arbeit wird ein Beitrag zur Lösung dieser Problemstellung untersucht, indem
ein Werkzeug für den systematischen Entwurf von Absaugesystemen entwickelt wird.
Das vorgeschlagene Entwurfswerkzeug mit dem Namen „Actual Suction and Power Calculation
Tool (ASPeCT)“ verwendet eine modulare Architektur und bezieht globale und
lokale Abhängigkeiten über ein mehrstufiges Eingabemodul ein. Innerhalb von ASPeCT
verschiedene Module genutzt, um das Layout des Absaugsystems zu entwerfen und die
Absaugleistung und den Gewichtsbedarf des Systems zu schätzen. Mit diesem Entwurfswerkzeug
können die Vorteile und Nachteile des Absaugsystems in Bezug auf die Absaugleistung
und das Systemgewicht bereits in der Entwurfsphase ermittelt werden, was
zu potenziell größeren Vorteilen und einer einfacheren Integration des Absaugsystems in
den Flugzeugflügel führen würde.
Als erster Schritt wird ein neuartiges Konzept für ein Absaugsystem vorgeschlagen. Das
neue Absaugsystem besteht aus einer mikroperforierten Oberfläche, die von einer inneren
Struktur getragen wird, und einem Plenum, dessen Innendruck von Kompressoren
geregelt wird. Die innere Struktur besteht aus geraden Stringern mit Drossellöchern.
Diese Drossellöcher ermöglichen eine zusätzliche Steuerung des statischen Drucks unter
der perforierten Platte, durch welche die Grenzschichtabsaugung erfolgt. Der Durchmesser
der Drossellöcher kann gezielt so entworfen werden, dass - basierend auf den Druckverlusten
der einzelnen Komponenten - jede gewünschte Absaugverteilung eingestellt werden
kann. Ein neuer Strömungsprüfstand ist darauf ausgelegt, diese Druckverlustmerkmale
zu bestimmen.
In der aktuellen Studie werden acht mikroperforierte Oberflächen gemessen, die mithilfe
von Stereolithografie (SLA), Ätzen, Mikrolaserbohren und selektivem Laserschmelzen
(SLM) hergestellt wurden. Die Messdaten zeigen eine erhebliche Abweichung von analytischen
Modellen, die auf geraden zylindrischen Löchern basieren, insbesondere bei
kleineren Perforationsdurchmessern im Bereich von 60 bis 120 Mikrometern. Anschließend
werden zwei verschiedene Modellierungsansätze betrachtet, um die Auswirkungen
der Perforationsform und des Strömungsverhaltens zu bestimmen. Eine Modellierung
basierend auf der Simulation von einzelnen Perforationslöchern wird verwendet, um den
Einfluss der Perforationsform und -größe zu untersuchen. Ein integraler Ansatz, der auf
dem Bohning-Doerffer-Modell (B-D) basiert, wird verwendet, um die Auswirkungen des
Strömungsverhaltens zu ermitteln.Die Simulation einzelner Perforationslöcher zeigt, dass die Konizität der Perforation
die Druckverlustcharakteristik beeinflusst, insbesondere bei niedrigen Reynolds-Zahlen,
basi-erend auf dem Lochdurchmesser und der Geschwindigkeit durch das einzelne Loch.
Ein Ansatz der integralen Modellierung zeigt, dass die B-D-Modelle im Darcy-Regime (Re
< 1) den Druckverlust nicht genau vorhersagen können. Im Trägheitsregime (Re > 1) stimmen
die experimentellen Daten jedoch gut mit dem B-D-Modell überein. Anschließend
werden Windkanalexperimente durchgeführt, um den Druckverlust durch die mikroperforierte
Platte zu ermitteln, wenn die Absaugmassenstrom durch einen Grenzschicht
beeinflusst wird. Die Messungen zeigen, dass der Schereffekt der Grenzschicht an der
Wand einen zusätzlichen Druckverlust für die mikroperforierte Platte verursacht. Das
ursprüngliche B-D-Modell kann den zusätzlichen Druckverlust nicht genau vorhersagen.
Daher werden durch Regression der experimentellen Daten neue Koeffizienten bestimmt.
In der vorliegenden Studie wird ein Modell reduzierter Ordnung auf der Grundlage des
Priest-Modells sowie des B-D-Modells formuliert, um den Gesamtdruckverlust durch das
mikroperforierte Blech genau zu modellieren. Ein ähnlicher Modellierungsansatz wird
auch verfolgt, um den Druckverlust durch Drossellöcher der inneren Struktur zu modellieren.
Abschließend wird eine so entworfene innere Struktur gefertigt und vermessen,
um die Modelle reduzierter Ordnung zu validieren.
Zur Veranschaulichung der Funktionalität werden zwei Fallstudien vorgestellt. Die erste
Fallstudie befasst sich mit dem Entwurf des Absaugsystems für den eXtended Hybrid
Laminar Flow Control (xHLFC)-Flügel für Unterschallflugbedingungen. Es wird untersucht,
wie sich die Druckverluste der mikroperforierten Platte und der inneren Struktur
auf den Gesamtleistungsbedarf des Absaugsystems auswirken. Die Fallstudie zeigt,
dass die mikroperforierte Platte weniger als 5% der Gesamtleistung des Absaugsystems
ausmacht. Der Beitrag der inneren Struktur beträgt etwa 15% der Gesamtleistung des
Absaugsystems. Der verbleibende und dominierende Anteil der Absaugleistung wird verwendet,
um die angesaugte Luft wieder auf Umgebungsbedingungen zu bringen.
In der zweiten Fallstudie wird die Konstruktion des Absaugsystems für Pfeilflügel bei
transsonischen Flugbedingungen erörtert. Die Konstruktion des Absaugsystems wird auf
einem aerodynamisch optimierten rückwärts gepfeilten Flügel des SE2A-Mittelstreckenflugzeugs
für eine Reisefluggeschwin-digkeit von Mach 0,71 durchgeführt. Vier Absaugpaneele
in Spannweitenrichtung des Flügels, werden mit ASPeCT entworfen. ASPeCT
prognostiziert für das Flugzeug eine maximale Treibstoffreduzierung von 7% bei Verwendung
des HLFC-Systems, selbst unter Berücksichtigung des zusätzlichen Gewichts
und der Leistungsaufnahme des Triebwerks. Schließlich wird die Absaugleistung verschiedener
Tragflächen aus der endgültigen Pareto-Front mit der des Tragflügels mit minimalem
Gesamtwiderstand verglichen, der vom aerodynamischen Tragflächenoptimierer
ausgewählt wurde. Die Auswahl eines anderen Tragflächenprofils auf der Grundlage der
Analyse führt zu einer Verringerung der Absaugleistung um 1 kW bei einem ähnlichen
Gesamtwiderstandsbeiwert. Die geringere Absaugleistung entspricht einer erheblichen
Einsparung beim Kompressorgewicht, was zu einer Steigerung des tatsächlichen Nutzens
und der Energieeffizienz des Flugzeugs führt.
Autor*in
Adarsh Prasannakumar
Themen in »Conceptual Design of Boundary Layer Suction System for Energy Efficient Laminar Flow Control«
Hybrid Laminar Flow Control HLFC System Design Actual Suction Drag HLFC Power Calculation Pressure Loss Modelling