Weismüller, Michael (2012)
A new Approach to Aerodynamic Performance of Aircraft under Turbulent Atmospheric Conditions.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung
Kurzbeschreibung (Abstract)
In the present study the influence of atmospheric turbulence on aircraft performance has been investigated and a relation between flight physics and meteorology has been established. Special attention was paid on aircraft with natural laminar flow airfoils because they exhibit an additional possibility of performance loss due to increased drag caused by a premature laminar-turbulent transition. A theoretical analysis was performed and the aerodynamic problem was extracted from the performance problem. A new wing glove for the G109b measurement aircraft as well as measurement equipment capable of detecting unsteady aerodynamic effects were developed. In-flight measurements for the validation of performance loss theories were carried out resulting in a new approach to aircraft performance under turbulent atmospheric conditions. Generally, a loss of flight performance can be the result of decreased lift, increased drag or a combination of both. The aerodynamic state and therefore the possible influencing mechanisms of atmospheric turbulence vary with the flight condition. Based on aircraft performance considerations, three principal flight conditions were determined for an in-depth study of the aerodynamic state related to these flight conditions. The flight conditions are slow flight, best glide and cruise flight. A new wing glove with favorable characteristics for aerodynamic in-flight experiments, retaining the flying qualities of the aircraft besides the asymmetric configuration, has been designed. A survey of the base flow on the glove in non-turbulent conditions by means of flight tests, wind tunnel tests and numerical simulations was conducted prior to the investigations under turbulent conditions. The results were essential as baseline data and showed that the numerous design requirements for the new wing glove were fulfilled. The flight test results show that the assumption of steady inflow conditions is incorrect for flight in atmospheric turbulence. An elevated level of micro-scale turbulence in the atmosphere is related to increased angle of attack variations. Therefore, unsteady changes in the airfoil pressure distribution are prevalent when an elevated turbulence level is encountered. Turbulence levels of 0.5% and more, which lead to different transition scenarios according to the results from flat plate experiments in transition research, do not occur in only light atmospheric turbulence, which is in turn the prerequisite for almost steady pressure distributions. The unsteady lift variations related to the angle of attack variations due to gusts are well predicted by unsteady thin-airfoil theory. A quasi-stationary approach does not cover the entire unsteady lift effects but in the case of laminar airfoils it predicts when the laminar drag bucket is left and airfoil drag increases. Especially in slow flight very close to the upper limit of the laminar drag bucket, angle of attack variations lead to increased airfoil drag. Flying at a lower angle of attack simply solves this problem. Only a slight increase in velocity is required to lower that angle of attack sufficiently.
| Typ des Eintrags: |
Dissertation
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| Erschienen: |
2012 |
| Autor(en): |
Weismüller, Michael |
| Art des Eintrags: |
Erstveröffentlichung |
| Titel: |
A new Approach to Aerodynamic Performance of Aircraft under Turbulent Atmospheric Conditions |
| Sprache: |
Englisch |
| Referenten: |
Tropea, Prof. Dr.- Cameron ; Radespiel, Prof. Dr.- Rolf |
| Publikationsjahr: |
27 März 2012 |
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Datum der mündlichen Prüfung: |
15 Juni 2011 |
| URL / URN: |
urn:nbn:de:tuda-tuprints-29340 |
| Kurzbeschreibung (Abstract): |
In the present study the influence of atmospheric turbulence on aircraft performance has been investigated and a relation between flight physics and meteorology has been established. Special attention was paid on aircraft with natural laminar flow airfoils because they exhibit an additional possibility of performance loss due to increased drag caused by a premature laminar-turbulent transition. A theoretical analysis was performed and the aerodynamic problem was extracted from the performance problem. A new wing glove for the G109b measurement aircraft as well as measurement equipment capable of detecting unsteady aerodynamic effects were developed. In-flight measurements for the validation of performance loss theories were carried out resulting in a new approach to aircraft performance under turbulent atmospheric conditions. Generally, a loss of flight performance can be the result of decreased lift, increased drag or a combination of both. The aerodynamic state and therefore the possible influencing mechanisms of atmospheric turbulence vary with the flight condition. Based on aircraft performance considerations, three principal flight conditions were determined for an in-depth study of the aerodynamic state related to these flight conditions. The flight conditions are slow flight, best glide and cruise flight. A new wing glove with favorable characteristics for aerodynamic in-flight experiments, retaining the flying qualities of the aircraft besides the asymmetric configuration, has been designed. A survey of the base flow on the glove in non-turbulent conditions by means of flight tests, wind tunnel tests and numerical simulations was conducted prior to the investigations under turbulent conditions. The results were essential as baseline data and showed that the numerous design requirements for the new wing glove were fulfilled. The flight test results show that the assumption of steady inflow conditions is incorrect for flight in atmospheric turbulence. An elevated level of micro-scale turbulence in the atmosphere is related to increased angle of attack variations. Therefore, unsteady changes in the airfoil pressure distribution are prevalent when an elevated turbulence level is encountered. Turbulence levels of 0.5% and more, which lead to different transition scenarios according to the results from flat plate experiments in transition research, do not occur in only light atmospheric turbulence, which is in turn the prerequisite for almost steady pressure distributions. The unsteady lift variations related to the angle of attack variations due to gusts are well predicted by unsteady thin-airfoil theory. A quasi-stationary approach does not cover the entire unsteady lift effects but in the case of laminar airfoils it predicts when the laminar drag bucket is left and airfoil drag increases. Especially in slow flight very close to the upper limit of the laminar drag bucket, angle of attack variations lead to increased airfoil drag. Flying at a lower angle of attack simply solves this problem. Only a slight increase in velocity is required to lower that angle of attack sufficiently. |
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Alternatives oder übersetztes Abstract: |
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Alternatives Abstract | Sprache |
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In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von atmosphärischer Turbulenz auf die Flugleistungen von Flugzeugen untersucht und ein Zusammenhang zwischen Flugphysik und Meteorologie hergestellt. Ein besonderes Augenmerk lag auf Flugzeugen mit Profilen mit natürlicher Laminarhaltung, weil bei diesen eine zusätzliche Möglichkeit des Flugleistungsverlusts besteht, nämlich ein erhöhter Widerstand durch einen vorzeitigen laminar-turbulenten Umschlag. Eine theoretische Untersuchung wurde durchgeführt und das aerodynamische Problem aus dem Flugleistungsproblem extrahiert. Es wurde ein neuer Flügelhandschuh für das G109b Messflugzeug sowie eine Messanlage entwickelt, die in der Lage ist, auch instationäre aerodynamische Effekte zu erfassen. Zur Überprüfung von verschiedenen Theorien zum Flugleistungsverlust wurden Flugmessungen durchgeführt, aus denen ein neuer Ansatz zur Flugleistungsbetrachtung herrührt. Grundsätzlich kann ein Flugleistungsverlust aufgrund eines verminderten Auftriebs, eines erhöhten Widerstands oder einer Kombination aus beidem entstehen. Der aerodynamische Grundzustand und damit die Einflussmöglichkeiten ändern sich mit dem Flugzustand. Die aerodynamischen Grundzustände für drei exemplarische Flugzustände wurden eingehend untersucht. Die Flugzustände sind Langsamflug, bestes Gleiten und Reiseflug. Ein neuer Flügelhandschuh mit vorteilhaften Eigenschaften für aerodynamische Freiflugexperimente wurde entwickelt. Dabei musste die Beibehaltung der Flugeigenschaften trotz der asymmetrischen Flugzeugkonfiguration gewährleistet werden. Eine Untersuchung des Strömungszustandes wurde vor den Versuchen in atmosphärischer Turbulenz durchgeführt. Dafür wurden Flugversuche, Windkanalexperimente und numerische Simulationen durchgeführt. Diese Versuche stellten eine notwendige Datenbasis bereit und zeigten, dass die zahlreichen Anforderungen an den Handschuh erfüllt werden konnten. Die Flugversuche zeigen, dass die Annahme von konstanten Anströmbedingungen im Flug durch atmosphärische Turbulenz nicht gerechtfertigt ist. Ein erhöhtes Turbulenzniveau im Bereich kleiner Skalen ist immer mit Anstellwinkelschwankungen verbunden, was wiederum eine zeitlich nicht konstante Druckverteilung am Profil hervorruft. Turbulenzgrade von 0,5% und mehr, die laut Ergebnissen von Transitionsversuchen an ebenen Platten zu einer Veränderung des Transitionsmechanismus führen, treten nicht in nur leichter Turbulenz auf, was jedoch eine Voraussetzung für annähernd konstante Profildruckverteilungen ist. Instationäre Auftriebsschwankungen aufgrund von Anstellwinkelschwankungen durch Böen werden mit Hilfe der Theorie dünner Profile gut vorhergesagt. Ein quasi-stationärer Ansatz gibt die instationären Vorgänge nicht vollständig wieder, erlaubt aber die Vorhersage, wann im Fall von Laminarprofilen die Laminardelle verlassen wird und Anstellwinkelschwankungen zu einen erhöhten Widerstand führen. Der Flug bei vermindertem Anstellwinkel stellt eine einfache Lösung des Problems dar. Die Fluggeschwindigkeit muss nur geringfügig erhöht werden, um den Anstellwinkel hinreichend zu vermindern. | Deutsch |
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| Freie Schlagworte: |
Flugleistungen; atmosphärische Turbulenz; instationäre Aerodynamik; Transition; Flugversuche; Laminarprofil; Windkanalversuche |
| Schlagworte: |
| Einzelne Schlagworte | Sprache |
|---|
| aircraft performance; atmospheric turbulence; unsteady aerodynamics; transition; in-flight experiments; laminar airfoils; wind tunnel testing | Englisch |
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| Zusätzliche Informationen: |
Dissertation am Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik |
| Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): |
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau |
| Fachbereich(e)/-gebiet(e): |
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA)
16 Fachbereich Maschinenbau |
| Hinterlegungsdatum: |
09 Mai 2012 08:16 |
| Letzte Änderung: |
05 Mär 2013 10:00 |
| PPN: |
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| Referenten: |
Tropea, Prof. Dr.- Cameron ; Radespiel, Prof. Dr.- Rolf |
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Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: |
15 Juni 2011 |
| Schlagworte: |
| Einzelne Schlagworte | Sprache |
|---|
| aircraft performance; atmospheric turbulence; unsteady aerodynamics; transition; in-flight experiments; laminar airfoils; wind tunnel testing | Englisch |
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