Untersucht wird die Gestaltung von Flügelendformen zur Widerstandsreduktion an Langstrecken-Verkehrsflugzeugen. Ziel dabei ist, unter Berücksichtigung aerodynamischer, struktureller und gewichtsrelevanter Gesichtspunkte Geometrien zu entwerfen, die sowohl im Reise- als auch im Langsamfiug einen Vorteil gegenüber konventionellen Endformen besitzen. Dies erfolgt mittels einer Zielfunktion, die äquivalente Widerstandsgewinne gegenüber einer Referenzendform ausgibt. Für die Auslegungsstudie im Reiseflug kommt nach ausführlicher Validierung ein hierfür entwickeltes, datenbankgestütztes Mehrfach-Traglinienverfahren zum Einsatz. Die Nachrechnung des Entwurfes sowohl im Schnell- als auch im Langsamflug erfolgt mittels eines Finite-Volumen-Verfahrens zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen. Durch hohe Wichtung der Struktur im Entwurfsansatz ergibt sich eine schwach belastete Wingletgeometrie mit leicht negativer V-Stellung, moderater Pfeilung und geringen Profiltiefen. Dieser Entwurf überzeugt im Reiseflug sowohl gegenüber der planaren Referenzgeometrie als auch einem deutlich größeren konventionellen Winglet. Die aerodynamische Leistungsfähigkeit im Langsamflug zeigt aufgrund der Entwurfsphilosophie im Reisefiug deutliche Schwächen. Vor allem die kleinen Profiltiefen wirken sich nachteilig aus und führen schon bei moderaten Anstellwinkeln zu großflächigen Strömungsablösungen. Zur Leistungssteigerung in diesem Geschwindigkeitsbereich schließen sich verschiedene Untersuchungen an. Sowohl durch den Einsatz beweglicher Teile als auch durch eine Neuprofilierung der Endform kann die aerodynamische Güte des Entwurfes deutlich verbessert werden. Die im Reiseflug erzielten Vorteile werden dabei nicht reduziert.
A design study of wing tip devices to reduce the overall drag of a long-range transport aircraft is described. The aim is modelling a novel geometry considering aerodynamic, structural, and weight impact on the design. Benefit at both high and low speeds is requested compared to conventional tip devices. The objective function for the design work is given in terms of an equivalent drag reduction relative to a reference device. After a comprehensive validation study, a databased multiple lifting-line method, which has been established especially for this application, is used for the design task at cruise. The assessment of the result at high and low speeds is conducted using a finite volume method to solve the Navier-Stokes equations. Due to the strong impact of the structural component within the objective function, a weakly loaded winglet geometry with anhedral planform, moderate sweep and small chord lengths results. This design exceeds both the planar reference geometry and the obviously larger conventional winglet in drag reduction. The aerodynamic performance at low speed is quite poor due the design philosophy used at cruise. Particularly, the small chord lengths affect the flow quality adversely and cause large regions of flow separation even at moderate angles of attack. For performance gain at this speed range various investigations follow. The usage of moving parts as weil as a redesign of the winglet airfoils improve the aerodynamic performance significantly. Note, the benefits attained at cruise speed are not reduced by these modifications.
Flügelendformen zur Leistungssteigerung eines Langstreckenflugzeuges
ZLR-Forschungsbericht ; 6 ; 1-183
2008
183 Seiten, 115 Bilder, 12 Tabellen, 107 Quellen
Theses
German
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