Experimentelle und numerische Untersuchung flexibler Tragflügelprofile

Ausgehend von Untersuchungen des Flossenschlagverhaltens von Fischen (forellenartige Knochenfische) und der Gestalt ihrer Flossenstrahlen wurde ein allgemeines Konstruktionsprinzip entwickelt, um mit flexibler Außenhaut versehene Tragflügel durch Einbringung von Verbindungsstegen zwischen Saug- und Druckseite bei veränderlichen Anströmbedingungen in die Lage zu versetzen sich passiv-adaptiv einer Strömung anzupassen. Das an den Flossenstrahleffekt angelehnte Konstruktionsprinzip lautete: • verjüngende, symmetrische Gesamtstruktur, • flexible Außenhaut, • gleichmäßige Anordnung der Gurte, • drehbare Lagerung der Gurte, • feste Länge der Gurte. Das vorgeschlagene Gestaltungsprinzip wurde in numerischen Modellen und experimentellen Prototypen umgesetzt. In den Untersuchungen wurden jeweils die Anzahl an Verbindungsgurten, der Anströmwinkel, sowie die Anströmgeschwindigkeit variiert und der Einfluss der Variationen auf die verformten Endkonturen untersucht. In den zwei- und drei-dimensionalen, numerischen Modellen wurde eine vollständige zeitabhängige Zwei-Wege-Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) abgebildet, um die Wechselwirkung zwischen Verformung und veränderter Strömungsführung zu modellieren. Es wurde ein neues auf die gegebene Geometrie angepasstes Verfahren zur Anpassung der Gittersteifigkeit des strömungsmechanischen Modells vorgestellt. Zur Messung der Verformungskonturen wurde ein automatisiertes, photometrisches Detektionsprogramm aus frei zugänglichen Programmbibliotheken entwickelt und umgesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass das verwendete numerische Modell in der Lage ist, die aus den Experimenten gewonnene Verformungskontur für den jeweiligen Tragflügel bei gegebenem Anstellwinkel und Anströmgeschwindigkeit qualitativ abzubilden. Es erfolgte ein quantitativer Vergleich der gemessenen und errechneten Verschiebungen an gewählten Markierungspunkten entlang des Tragflügels. Ebenso erfolgte ein quantitativer Vergleich der lokalen Strömungsverteilung zwischen LDA-Messungen und den Ergebnissen der FSI-Berechnungen eines verformten Tragflügels. Die Variation der Innenstrukturierung bei Tragflügeln gleicher Materialstärke zeigte, • dass die Verformungsendkontur überwiegend von den Stegen im hinteren Drittel des Tragflügels dominiert wird, • die Art und Weise wie Tragflügelober- und -unterseite an der Hinterkante verbunden werden, einen erheblichen Einfluss auf die lokale Krümmung des Tragflügels unter Belastung hat, • und der Einfluss der Steifigkeit der Tragflügeober- und -unterseite sich je nach Belastungsfall (periodische Änderung, einseitige Änderung) unterscheidet. Das vorgeschlagene Flossenstrahlprinzip ist in der Lage, als Element der passiv-adaptiven Strömungskontrolle eingesetzt zu werden. Das Gesamtverformungsverhalten legt ebenso den Schluss nahe, dass die Flossenstrahlmechanik auch als aktives Element zum Einsatz in Antriebseinheiten verwendet werden kann.