Hochauftriebsprofile mit minimalem Strömungswider-stand durch Oberflächenstrukturierung (MIDHILPS)

Im Projekt MIDHILPS (Hochauftriebsprofile mit minimalem Strömungswiderstand durch Oberflächenstrukturierung) entwickelt die Hochschule Karlsruhe gemeinsam mit dem Kooperationspartner Numeca Methoden, mit denen die Effizienz von Strömungsmaschinen und Luftfahrzeugen verbessert werden kann. Das Projekt läuft seit Mai 2019, die Projektleitung liegt bei Prof. Dr.-Ing. Matthias Stripf.

Herausforderung

Sowohl bei der Versorgung mit erneuerbaren Energien als auch im Flugzeugbau spielt Energieeffizienz eine wichtige Rolle – die Gestaltung der Flügel- und Schaufelprofile von Flugzeugen und Strömungsmaschinen ist hierbei von entscheidender Bedeutung. In beiden Fällen lässt sich die Effizienz noch steigern, da bisherige Optimierungsansätze von ideal glatten Oberflächen ausgehen. Mit den vorhandenen Modellen können Oberflächenrauheiten nur sehr eingeschränkt berücksichtigt werden. In den vergangenen Jahren hat es jedoch zum einen deutliche Fortschritte in der Genauigkeit der Berechnungsmodelle gegeben; zum anderen ermöglichen additive Fertigungsverfahren und Faserverbundwerkstoffe mehr Gestaltungsfreiheit bei der Oberflächenstruktur. Um die Effizienz von Flügelprofilen zu verbessern, ist es notwendig, diese Fortschritte in die Auslegungsmethoden zu integrieren und weiterzuentwickeln.

Ziele und Vorgehen

Ziel des Forschungsprojekts MIDHILPS ist eine neue Methode zur Auslegung von Flügelprofilen für eine große Anzahl von Anwendungen, beispielsweise Windkraftanlagen, Lüfter, Verdichter und Turbinen sowie Flugzeugtragflächen. Konkret wird ein neues Profilauslegungs- und Optimierungsverfahren entwickelt, das neben der Geometrie auch die Oberflächentopografie der Profile verbessert. Dazu wird erstmals eine lokal variierende Oberflächenstruktur berücksichtigt. Dies steigert zum einen die Auftriebsbeiwerte und verringert gleichzeitig die Widerstandsbeiwerte.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird zunächst eine umfangreiche Testfalldatenbank aufgebaut, die weltweit erstmals Wärmeübergangs- und Reynoldsspannungsverläufe bei unterschiedlichen Oberflächentopografien und Anströmrandbedingungen enthält. Damit werden Modelle entwickelt, die den Einfluss lokal variierender Rauigkeiten und Riblets auf transitionale Grenzschichtströmungen berücksichtigen. Abschließend wird das neue Verfahren anhand zweier Beispielanwendungen validiert.

Innovationen und Perspektiven

Mit dem Projekt MIDHILPS sollen zum ersten Mal auch wandreibungsvermindernde, transitionsverzögernde und lokal variierende Oberflächentopografien in Modellen berücksichtigt werden. Aufgrund des neuen Profilauslegungs- und Optimierungsverfahrens erwarten die Projektpartner konkrete Verbesserungen, wie höhere Leistungsbeiwerte von Windkraftanlagen und eine niedrigere Leistungsaufnahme von Lüftern.

Die im Projekt durch experimentelle Untersuchungen und Direkte Numerische Simulation gewonnenen Erkenntnisse sollen der Öffentlichkeit uneingeschränkt zur Verfügung gestellt werden. Davon profitieren zahlreiche Anwendungen, in denen umströmte Profile eingesetzt werden. Der Industriepartner, das Numeca Ingenieurbüro, kann die Modelle unmittelbar in den 3D-Strömungslöser implementieren. Die Modelle und Optimierungsverfahren und die erweiterte Messtechnik lassen sich auf zukünftige Themen übertragen, beispielsweise die Entwicklung von Hochleistungswärmeüberträgern.