Numerical Simulation of Active Flow Control Applied to Practically Relevant High-lift Configurations

Um eine hohe aerodynamische Wirkung bei geringen Fluggeschwindigkeiten zu erreichen, werden verstellbare Hinterkantenklappen an den Tragflächen von Flugzeugen eingesetzt. Durch die Anstellung solcher Hochauftriebshilfen ist es möglich, den maximal erreichbaren Auftrieb beträchtlich zu steigern. Infolge methodischer und technischer Verbesserungen wurde in den letzten Jahrzehnten ein hohes Maß an Detailverbesserungen erreicht, die eine Reduzierung der kostenintensiven Posten, wie Gewicht und Wartung, ermöglichten. Damit entstanden mechanisch einfachere Systeme, die eine vergleichbar geringere aerodynamische Leistungsfähigkeit aufweisen. Um dennoch die aerodynamische Leistungsfähigkeit der einfachen Hinterkantenklappensysteme zu erhöhen, müssen Strömungskontrollmechanismen zum Einsatz kommen, die bei hohen Anstellwinkeln die auf der Klappe einsetzende Strömungsablösung deutlich verzögert. Neben verschiedensten passiven Methoden sind seit vielen Jahren auch aktive Beeinflussungsansätze bekannt. Mit Hilfe von periodischen Anregeströmen wird die ablösegefährdete Grenzschicht oder die schon abgelöste Scherschicht geeignet angeregt. Die benötigte Energie reduziert sich im Vergleich zu den stationären Methoden und es ergibt sich ein effizienteres System mit einem größeren Einsatzbereich. Die Arbeit beschäftigt sich primär mit der numerischen Simulation der aktiven Strömungsbeeinflussung an zwei praxisrelevanten Hochauftriebskonfigurationen. Neben der Entwicklung und Implementierung numerischer Methoden für die Simulation eines fluidischen Anregemechanismuses werden die Effekte der Beeinflussung auf das Ablöseverhalten der Strömung und damit auch auf das globale aerodynamische Auftriebsverhalten mit Hilfe von URANS-Simulationen untersucht und dargestellt. Im Mittelpunkt steht dabei die Analyse der Einflüsse verschiedenster Anregeparameter, wie Frequenz, Intensität oder Ausblasrichtung. Zusätzlich werden auch die Wirkungsmechanismen der periodischen Aktuation betrachtet und durch topologische Auswertungen aufgezeigt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Potenzial der aktiven Ablösekontrolle numerisch zu untersuchen. Dabei soll die numerische Umsetzbarkeit der Anregemethode sowie eine Einschätzung über die erreichte Qualität der Wiedergabe erfolgen. Es wird angestrebt, mit Hilfe der Simulation ein erweitertes Grundverständnis der Wirkungsmechanismen zu erlangen und den für eine effiziente Anregung wichtigen Einfluss der Anregeparameter zu identifizieren. Neben dem integralen Verhalten steht damit auch die Klärung des Wirkungsprinzips der einzelnen Parameter im Vordergrund. Die Arbeit zeigt deutlich, dass durch den gezielten Einsatz der periodischen Anregung eine verbesserte Umströmung der Hinterkantenklappe und damit eine Erhöhung des Gesamtauftriebs erreicht werden kann. Die Methode der numerischen Strömungssimulation zeigt sich bei der Erfassung der globalen Effekte sowie bei der Variation der Anregeparameter als ein geeignetes Werkzeug. Der Effekt der Auftriebssteigerung lässt sich sehr anschaulich anhand des Verhaltens des Abströmwinkels erklären. Es wird deutlich, dass Anregeparameter, wie Anregeposition, Anregeform, Anregefrequenz, Anregeintensität und Ausblasrichtung einen maßgeblichen Einfluss auf die Güte der Strömungsbeeinflussung haben.To achieve a high aerodynamic efficiency at low airspeeds, adjustable trailing edge flaps are used on aircraft wings. Using such high-lift devices, it is possible to increase the maximum attainable lift considerably. As a result of improved methods and technology a high level of refinement has been achieved in recent decades, which has enabled a reduction weight and maintenance. This led to mechanically simpler systems, which have a relatively low aerodynamic efficiency. In order to increase the aerodynamic performance of simple trailing edge flap systems, flow control mechanisms can be used to significantly delay the onset of flow separation at high angles of attack. In addition to various passive methods, active control approaches have been known for many years. By means of periodic mini-jets, suitable excitation can be applied to boundary layers nearing separation or to already detached shear layers. Compared to steadystate methods the energy required is reduced and a more efficient and flexible system results. The thesis deals with the numerical simulation of active flow control applied to two industrially-relevant high-lift configurations. In addition to development and implementation of numerical methods for the simulation of a fluidic excitation mechanism, the effects of actuation on the detachment behaviour, and thus also on the aerodynamic lift, are investigated and demonstrated by use of URANS-simulations. The analysis of the impact of various excitation parameters, such as frequency, intensity or blowing direction form the focus of the investigations. Additionally, the physical mechanisms of periodic excitation are analysed and identified by topological evaluations. The goal of the present work is to examine numerically the scope of active separation control. Numerical feasibility of the excitation mechanism as well as the achieved quality of modelling shall be assessed. The aim is to obtain an extended fundamental understanding of the physical mechanisms and to identify the influence of the excitation parameters important for an efficient actuation. The focus is not only on the gain in lift but also on understanding of the principle of operation of each excitation parameter. The results of the investigations demonstrate that an improved flow over the trailing edge flap and, as a consequence, an enhancement of lift can be achieved by means of a purposeful periodic excitation. The method of numerical flow simulation is a suitable tool in order to register global effects generated by the excitation or to vary several excitation parameters. The effect of lift enhancement can be explained very vividly by means of the behaviour of the downstream angle. It is obvious that excitation parameters, such as actuation position, excitation mode, frequency and intensity or blow-out angle have a significant impact on the quality of flow control