Methodik zur näherungsweisen Vorhersage des laminar-turbulenten Umschlags an Hubschrauberrotoren

In der vorliegenden Arbeit wird eine approximative Methodik zur Vorhersage des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags an Hubschrauberrotoren fur reibungsbehaftete Stromungssimulation mittels URANS Verfahren entwickelt. Anhand der Methodik wird der Einfluss von laminarer Stromung auf die benotigte Rotorleistung und den generierten Rotorschub untersucht und mit voll-turbulenten Ergebnissen verglichen. Zur Berechnung der laminaren Grenzschicht wird ein Integralverfahren nach Schlichting/Walz in Kombination mit einem Geschwindigkeitsansatz fur rotierende Blatter nach Blaser und Velkoff verwendet. Die Vorhersage des laminar-turbulenten Umschlags erfolgt mittels empirischer Kriterien. Aufgrund der komplexen Rotorstromung wird ein breites Spektrum von Grenzschichtinstabilitaten berucksichtigt, darunter Tollmien-Schlichting-Wellen, laminare Ablosung, Querstromung, Bypass-Mechanismen und Anlegelinieninstabilitaten. Die Umschlagsvorhersage berucksichtigt den Turbulenzgrad des simulierten Blattnachlaufes. Eine Detektion des Grenzschichtrandes aus der URANS Losung ist nicht erforderlich. Die grundlegende Validierung der approximativen Methode erfolgt anhand der Nachrechnung von experimentellen Testfallen mit laminar-turbulentem Grenzschichtumschlag. Dazu zahlen ein Laminarprofil, ein oszillierendes Hubschrauberprofil sowie ein schiebendes Flugelsegment. Als Testfall mit Rotationseinfluss werden der Flugversuch eines Hubschraubers im Schwebeflug und die Rotorstromung eines Mach-skalierten Windkanal-Hubschraubermodells im Vorwartsflug nachgerechnet. Die berechneten laminar-turbulenten Umschlagslagen an den Rotorblattern zeigen generell eine gute Ubereinstimmung zu den experimentellen Messungen. Gegenuber der ublichen Annahme einer voll-turbulenten Rotorstromung bewirkt die Berucksichtigung der laminaren Lauflangen eine Verringerung des Rotorleistungsbedarfs von 3- 5%. Der Rotorschub bleibt von der laminaren Stromung praktisch unbeeinflusst.