Als Folge des Auftriebs entsteht bei einem fliegenden Flugzeug eine komplexe turbulente Nachlaufströmung bestehend aus energiereichen kohärenten Strukturen. Die Entwicklung der Nachlaufwirbel vor und unmittelbar nach der Landung wirft viele ungeklärte Fragen auf. Sowohl die Dynamik, als auch die numerische Behandlung der Nachlaufströmung stellen eine große Herausforderung dar. Aufgrund der komplexen Flugzeuggeometrie, des Einflusses des Bodens und der meteorologischen Bedingungen bestimmen sehr unterschiedliche Skalen die Strömung. Somit stellt die Nachlaufentwicklung von Flugzeugen ein hervorragendes Beispiel für komplexe turbulente Strömungen und damit eine große Herausforderung der modernen Physik dar. Die entstehenden Wirbelströmungen sind besonders gekennzeichnet durch kohärente Strukturen, die mehrere Größenordnungen an Längenskalen überspannen und nichtlinear miteinander interagieren. Voll aufgerollt bilden sich zwei energiereiche, gegensinnig rotierende Nachlaufwirbel, die sogenannte Wirbelschleppe, die ein Risiko für nachfolgende Flugzeuge darstellt. Um Wirbelschleppenbegegnungen zu vermeiden, wurden an Flughäfen Staffelungsabstände zwischen aufeinander folgenden Flugzeugen eingeführt. In einer prosperierenden Wirtschaft werden Kapazitätsprobleme verkehrsreicher Flughäfen über die Jahre verschärft. Daraufhin haben Luftfahrtbehörden eine Überprüfung in die Wege geleitet, der die statische Flugzeugstaffelung neu gestalten soll. Dabei darf die Sicherheit der Fluggäste nicht durch kapazitätserweiternde Maßnahmen eingeschränkt werden. Effektive technische Vorrichtungen, die den Wirbelzerfall beschleunigen, wurden bisher noch nicht etabliert. Eine neuartige Methode zur künstlichen Beschleunigung des Wirbelschleppenzerfalls, bestehend aus vor der Rollbahn aufgestellten Hindernissen, wird in dieser Arbeit weiter entwickelt und detailliert mit Large Eddy Simulationen (LES) untersucht. Dazu werden zunächst die Zerfallsmechanismen von voll aufgerollten, mit dem Boden interagierenden Wirbeln, unter dem Einfluss eines Seitenwindes, betrachtet. Die Simulationen zeigen, dass streifenförmige Wirbel (Streaks) die induzierte Wirbelschicht am Boden stören, so dass sich Haarnadelwirbel vom Boden ablösen und turbulente Zerfallsprozesse der Wirbel auslösen. Die Hindernisse lösen gezielt die Entstehung von starken Sekundärwirbeln aus, die aktiv mit den Primärwirbeln interagieren. Es zeigt sich, dass die Hindernisse sowohl Drackstörungen im Wirbelkern, als auch Helix-artige Sekundärwirbel auslösen, die sich beide schnell entlang der Wirbel ausbreiten. Ein Modell für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wirbel wird entwickelt. Plattenreihen (plate lines) stellen eine praktikable Alternative für massive Hindernisse in Landebahnnähe dar. Die Simulationen werden mit Messergebnissen von Strömungsfeldern (Particle Image Velocimetry) in Wasserschleppkanalexperimenten verglichen. Qualitativ stimmen die Entwicklung der Wirbelposition und des -Zerfalls in Simulation und Experiment gut überein. Ferner wird eine Methode entwickelt, die die Untersuchung der Nachlaufentwicklung während der kompletten Landung, einschließlich Anflug, Abfangen, Aufsetzen und Abbremsen, ermöglicht. Dafür wird eine kürzlich entwickelte Methode, die die vollständige Nachlaufentwicklung, vom Aufrollen bis zum Zerfall der Wirbel abdeckt, auf geneigte Trajektorien erweitert. Dazu wird die Umströmung eines Flugzeugmodells in Hochauftriebskonfiguration, mit ausgefahrenen Klappen und Vorflügeln, die vorab mit einer Reynolds-gemittelten Navier-Stokes (RANS) Simulation berechnet wurde, durch ein LES Rechengebiet gezogen. Dadurch werden Besonderheiten und Strömungsdetails der komplexen Flugzeugumströmung über den Aufrollvorgang auf die Wirbeleigenschaften übertragen. Die Simulationen zeigen, dass sogenannte Endeffekte, die kurz nach dem Aufsetzen entstehen, sich entlang der Wirbel ausbreiten und zu schnellem Zerfall führen. Die Störungen der Plattenreihen kollabieren mit den Endeffekten und verstärken den Zerfall zusätzlich. Während der Zerfallsphase werden die Wirbel auf komplexe Weise stark deformiert, sie divergieren und verbinden sich mit dem Boden. Simulationsergebnisse werden mit Messdaten verglichen, die während der WakeMUC Kampagne am Flughafen München gesammelt wurden. Gute Übereinstimmung kann bei den überraschend komplexen Wirbeltrajektorien beobachtet werden. Abweichungen bezüglich der Zerfallsraten können auf eine unvollständige Initialisierung der Turbulenz während der Assimilierung der RANS Strömungsfelder zurückgeführt werden und motivieren zukünftige Arbeiten.
AAs a consequence of lift generation, flying aircraft generate a complex turbulent wake consisting of strong coherent flow structures. The evolution of the aircraft's wake prior to and directly after touchdown still poses many open questions. The dynamics as well as the numerical treatment of the wake flow are very challenging, as multiple scales determine the flow related to the complex geometry of an aircraft, the interaction with the ground surface, and the environmental conditions. The evolution of the aircraft's wake is an example of a complex turbulent flow challenging modern physics, because it is composed of strong coherent flow structures that exhibit a range of length scales spanning several orders of magnitude all interacting with one another. Fully rolled-up, two counter rotating wake vortices emerge, possessing a high amount of kinetic energy and therefore posing a potential hazard to following aircraft. To avoid wake-vortex encounters, aircraft regulatory separation distances have been introduced. In a growing economy the capacity problems of congested airports also get worse. Therefore, a process has been initiated by aviation authorities aiming at the recategorization of the static wake-vortex separations. Obviously, the safety of the passengers must not be compromised by any capacity increasing measures. Artificial devices for the alleviation of wake vortices could not be established so far. A novel method for artificial wake-vortex decay enhancement, consisting of obstacles installed at the runway tails, is investigated in detail, with temporal large-eddy simulations (LES). First the mechanisms of wake-vortex decay of fully rolled-up vortices, interacting with a flat ground surface subjected to a turbulent crosswind, are studied. The simulations reveal that so-called crosswind streaks perturb the secondary vorticity layer at the ground surface, such that hairpin-shaped secondary vortices detach from the ground and trigger turbulent vortex decay. Obstacles at the ground surface trigger the rapid generation of powerful secondary vortices that interact vigorously with the primary vortices. Analyzing the vortex dynamics, it is found, that the obstacles trigger both, pressure disturbances propagating within the vortex cores and helical secondary vortex structures, propagating exteriorly along the primary vortices. A model for the propagation speed of the disturbances is elaborated. Plate lines are introduced as efficient alternative to massive obstacles that could not be installed in the vicinity of runways. Simulation results are compared with particle image velocimetry measurements accomplished in a water towing tank. Qualitatively the evolutions of vortex position and decay agree well. In this thesis a method is developed to investigate the wake evolution during the complete landing phase, including final approach, flare, touchdown, and deceleration. Therefore a recently developed method to investigate the entire wake evolution from roll-up to decay is extended for downward sloping trajectories. For this purpose, the flow around an aircraft model in high-lift configuration, with deployed flaps and slats, obtained from a high-fidelity Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulation, is swept through the ground fixed LES domain. This way the peculiarities of the flow details around the complex aircraft geometry can be transferred to the vortex characteristics, developing during and after rollup. The simulations reveal that so-called end effects, appearing shortly after touchdown, propagate along the wake vortices, leading to rapid decay. Disturbances generated by a plate line interact with the end effects and further accelerate vortex decay. During the decay phase, the vortices are subjected to complex deformations, strong divergence as well as ground linking. Flight measurement data gathered during the WakeMUC campaign at Munich airport are used to compare flow characteristics. Good agreement is found concerning the surprisingly complex vortex trajectories. Deviations from the observed decay rates can be attributed to the lack of wake turbulence initiation during the RANS-LES transition step, motivating further work.
Wake Vortices of Landing Aircraft
Wirbelschleppen landender Flugzeuge
2014
149 Seiten, 81 Bilder, 4 Tabellen, 149 Quellen
Hochschulschrift
Englisch
Flugzeug , turbulente Strömung , Wirbelschleppe , Auftrieb , Landung , Nachlaufströmung , Wirbelströmung , Flughafen , meteorologische Bedingung , Beschleunigung , Seitenwind , Wirbelkern , Wirbelschicht , Strömungsfeld , Ausbreitungsgeschwindigkeit , Landebahn , Abbremsen , Umströmung , Luftfahrzeug , Separation , Strömungsstruktur , Wirbelstruktur , Strömungskenngröße
Wake vortices of landing aircraft
SLUB | 2014
|Commercial aircraft wake vortices
Online Contents | 2002
|ICAS2014_0796: SIMULATION OF AIRCRAFT WAKE VORTICES DURING LANDING WITH DECAY ENHANCING OBSTACLES
British Library Conference Proceedings | 2014
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