Simulation des transsonischen Flatterns eines NLR7301 Profils im Zeitbereich

Im transsionischen Windkanal Gottingen wurden Experimente an einem ungepfeilten, spannweitig in den Freiheitsgraden Schlag und Nicken elastisch gelagerten NLR7301-Profil durchgefuhrt. Vermessen wurden die Flattergrenze des Modells sowie oberhalb der Flattergrenze auftretende Grenzzyklusschwingungen (LCO). Im Gegensatz zur Beschaffung instationarer, komplexer Luftkrafte durch erzwungene Schwingungen fur eine anschliesende eigenwertbasierte Stabilitatsanalyse wird in dieser Untersuchung die freie Bewegung des Profils direkt simuliert, um die aerodynamischen Nichtlinearitaten mit zu berucksichtigen. Durch Identifikation aerodynamisch angefachter bzw. gedampfter Zustande im Parameterfeld Flatterindex-Machzahl wird zunachst die Flattergrenze iterativ ermittelt und das System im Anschluss auf stabile Grenzzyklen untersucht. Das Profil wird klassisch als Starrkorper mit Translations- und Rotationsfreiheitsgrad durch linearisierte Bewegungsgleichungen modelliert und diese mittels eines semiexplizierten, bedingt stabilen Newmark-Differenzenverfahrens integriert. Die instationaren Luftkrafte werden durch zeitgenaue Losung der Euler- bzw. RANS-Gleichungen unter Freistrombedingungen mit Hilfe des TAU-Codes beschafft. Struktur- und Fluidberechnung sind durch ein CSS-Zeitschrittverfahren lose miteinander gekoppelt. Beide Aerodynamik-Modelle geben das erwartete Minimum der Flattergrenze (Transonic Dip) im Machzahlbereich zwischen 0.72 und 0.74 wieder. Instabil wird dabei die erste, schlagdominierte Eigenform. Die Euler-Rechnungen prognostizieren falschlicherweise ein weiteres Stabilitatsminimum der zweiten, torsionsdominierten Eigenform bei Ma=0.85, da die fur Machzahlen uber 0.76 auftretende stosinduzierte Stromungsablosung naturgemas nicht abgebildet werden kann. Die Ubereinstimmung mit dem Experiment ist tendenziell gut. Die Abweichungen werden auf hier nicht berucksichtigte Windkanaleffekte zuruckgefuhrt. Mit der RANS-Aerodynamik lassen sich oberhalb der Flattergrenze Grenzzyklusschwingungen simulieren. Der nichtlineare, amplitudenbegrenzte Mechanismus ist dabei die stosinduzierte Ablosung auf Profilober- und Profilunterseite, im Gegensatz zum Experiment, wo eine leichte Hinterkantenablosung als Amplitudenbegrenzer identifiziert wurde. Die simulierten Amplituden liegen daher ca. eine Grosenordnung uber dem Windkanalexperiment.