2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16004Der aerodynamische Widerstand dominiert den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen. Er ist inhärent mit einem signifikanten Teil der direkten Betriebskosten von Verkehrsflugzeugen verknüpft und bestimmt auch die durch Verkehrsflugzeuge verursachte Umweltbelastung. Um die gesellschaftlich formulierten Emissionsziele durch Verbrauchsminderung erreichen zu können, ist die Reduktion des Widerstands notwendig. Ein wesentlicher Baustein hierfür kann die Verringerung des turbulenten Reibungswiderstands sein. Hier setzt das Verbundprojekt TransMan (Transitions-Manipulation) an. Das Vorhaben beabsichtigt Einsparpotentiale zu erschließen, indem die Transition von laminarer zu turbulenter Strömung durch passive und aktive Grenzschichtmanipulation verzögert wird. Das Teilprojekt TransMan-TUHH widmet sich der Analyse von Möglichkeiten, einen Teil der turbulenten Strömung durch passive Oberflächenbeschichtung laminar zu halten. Hier- zu soll in einer Kooperation aus Experten der Materialtheorie, der Fluiddynamik und der Simulationstechnik geklärt werden (1) welche Instabilitäten bei der Transition auftreten, (2) wie sich diese Instabilitäten - geprägt durch nichtlineare Wechselwirkungen - fluiddynamisch weiterentwickeln & welche Signatur die transitionale Strömung an der Oberfläche erzeugt, (3) wie die Signatur materialtheoretisch beschrieben werden kann und (4) wie man diese Beschreibung zur Parametrisierung einer aerodynamisch dämpfenden, energieabsorbierenden Beschichtung nutzt, welche die Anfachung der Instabilitätsmoden verzögert. Die TUHH befasst sich insbesondere mit der nichtlinearen Analyse von transitionsbeeinflussenden Instabilitäten und deren Oberflächensignatur. Hierzu wird ein bestehendes Gitter-Boltzmann-Strömungssimulationsverfahren gezielt weiterentwickelt. Der diesbezügliche Schwerpunkt liegt auf der Konzeption und Implementierung von Methoden, die sich zur Simulation der Entwicklung von Instabilitätsmoden in praxisnahen Konfigurationen eignen. Die Entwicklung dieser Moden bei hohen Reynolds-Zahlen ist äußerst komplex und an vielen Stellen noch unverstanden. Dies gilt vor allem für die Überströmung nachgiebiger Oberflächen und die dabei auftretende Fluid-Struktur-Interaktion. Mit dem Simulationsverfahren soll es möglich sein die Transitionsdynamik zu analysieren und Anfachungsmechanismen für nicht-beschichtete und beschichtete Oberflächen zu beschreiben. Weiterhin besteht das Ziel, den Transitionsablauf durch die Simulationen besser zu verstehen. Die Anwendung des Verfahrens basiert auf den vorab erzeugten Daten der gekoppelten nichtlinearen Stabilitätsanalyse. Die generierten Signaturen werden durch Partner in Hinblick auf die materialtheoretische Beschreibung weiterverarbeitet. Für die anspruchsvollen Simulationen soll innovative Beschleunigerhardware eingesetzt werden. Das Projekt wird durch die zwei Industrieunternehmen (AIRBUS, Lufthansa Technik) begleitet, die die Verwertbarkeit der Arbeitsergebnisse aus der Perspektive eines Erstausrüsters bzw. Betreibers unterstützen.The project is devoted to the development of bio-inspired coatings of air flow exposed surfaces. The particular aim is to delay the transition from laminar to turbulent flows as well as the drag reduction in fully turbulent regions. The resistance of commercial aircrafts is dominated by friction. Turbulent flows are afflicted with significantly higher friction drag than laminar flows. Although transition can certainly not be avoided, it might be delayed by attenuating the growth of transition inducing flow-instabilities. Moreover compliant coatings can help to reduce the friction in the turbulent regime. The compliant coatings should feature the required mechanical behaviour to reduce the growth of unstable modes. The definition and development of such coatings is the focal point of the project. To this end, the work of TUHH was concerned with the simulation and analysis of the fluid-structure interaction in response to flow instabilities and near wall turbulent motions at large Reynolds-numbers using scale-resolving (turbulence-model free) simulations. A particular Lattice-Boltzmann-Model for GPGPU-hardware was developed and applied to perform the simulations. Results were used to support the definition of the coating for subsequent wind-tunnel experiments.