Wie werden Windkanalmodelle beim Entwurf von Überschallflugzeugen verwendet?

Es gibt zwei Dinge, die betroffen sind: Wellenwiderstand und Grenzschichtentrennung. Der Wellenwiderstand hängt von der Mach-Zahl ab, während letztere von der Mach-Zahl abhängt Reynolds Nummer der Strömung. Die eingehende Mach-Nummer kann einfach verwaltet werden, da sie unabhängig von der Geometrie ist. Die Reynolds-Zahl hängt jedoch von der Geometrie des Modells ab.

$$ \ text {Re} = \ frac {\ rho d} {\ mu} $$

Wenn Luft als Medium verwendet wird, unter der Annahme, dass der Durchfluss auf einer konstanten Mach-Zahl gehalten werden soll, werden $ \ rho $ und $ u $ durch die gasdynamischen Beziehungen festgelegt. $ \ mu $ ist so ziemlich nicht in unserer Hand, der einzige nicht fixierte Parameter ist $ d $.

Da $ d $ für ein Modell viel kleiner ist als für ein reales Flugzeug, wird der Fluss weniger $ \ text {Re} $ haben als ein echtes Flugzeug. Dies ergibt für ein Modell andere Strömungstrennungseigenschaften als für ein reales Flugzeug.

Beim Subsonic-Test ist nur das wichtig, was $ \ text {Re} $ ist. Dieses kann fein abgestimmt werden, um es an die tatsächliche Größe anzupassen, indem $ u $ für gegebenes $ d $ angepasst wird. Bei Überschallströmung haben wir diesen Luxus jedoch nicht, da $ u $ von der Mach-Zahl der eingehenden Strömung bestimmt wird.

Wie werden Windkanalmodelle für das Design von Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Raketen eingesetzt? Gibt es Korrekturverfahren, um die Flusstrennung besser vorhersagen zu können? Können dieselben Techniken für den Umgang mit CFD-Daten verwendet werden?

In der Fluid Dynamics-Community vor etwa 40 Jahren wurde die Gruppe hauptsächlich in Experimentatoren und Theoretiker unterteilt. Zu dieser Zeit war CFD jedoch ziemlich neu, musste auf teuren Supercomputern laufen und nicht vertrauenswürdig sein. Es war durchaus üblich, dass ein Theoretiker oder Experimentalist die Ergebnisse der CFD bestenfalls herabsetzen würde, während andere die CFD-Ergebnisse als völlig nutzlos betrachten könnten. Mein ehemaliger Doktorandenberater, Dr. David Whitfield, war einer der ersten Pioniere beim Einsatz von CFD neben Aerodynamik-Experimenten im Arnold Engineering Development Complex (AEDC). Diese Referenz erklärt gut das Denken über CFD in diesen Tagen:

Bei AEDC wurde CFD als Ergänzung zu Windkanalprüfungen eingesetzt   zu Dr. Whitfield, glaubten nicht viele Menschen an CFD   70er Jahre.

"In der Tat", sagte er, "meine Bemühungen um die Förderung der CFD bei AEDC im   Anfang der 70er Jahre hat mich wahrscheinlich das meiste Mahagoni rausgeschmissen   Türen. Wenn jedoch CFD verwendet wurde, um die Quelle des Flusses zu erklären   Winkeligkeitsproblem im Testabschnitt von 16T und beim AEDC-Fellow   Die CFD-Gruppe von Dr. John Adams in VKF erklärte, wie es einen Tunnel gibt   tatsächlich bei Mach 12 und nicht bei Mach 16 wie zuvor gedacht,   CFD hat neues Leben gefunden. "

"Mir wurde einmal gesagt, dass 'AEDC ein Ort für Testdaten ist und dass es keinen gibt   Platz für CFD ", erklärte er." Unser Ziel war es, denen zu helfen   die Tunnel laufen zu lassen, um ihre Arbeit besser machen zu können. Ich denke nicht   AEDC sollte nur ein Ort für Testdaten sein. Vielmehr sollte es ein Ort sein   für Lösungen und physisches Verständnis der Probleme, und dies kann   besser durch die gegenseitige Zusammenarbeit zwischen diesen erreicht werden   konzentriert sich auf Experimente und solche, die sich auf Numerik konzentrieren. "

Zu dieser Zeit entwarf der Designer in der Regel einen neuen Prototyp und schickte ihn in den Windkanal, um ihn zu testen, und möglicherweise wurde gleichzeitig CFD ausgeführt. Im Allgemeinen würden viele Prototypen gebaut und getestet, was sehr kostspielig war. In einer solchen Versuchsanlage, in der ich früher gearbeitet habe, wurden pro Testtag 16.000 USD in Rechnung gestellt. Andererseits sind CFD-Simulationen mit der Entwicklung robuster Open-Source-CFD-Codes wie OpenFoam und Cluster-Computern ziemlich billig.

Im Laufe der Zeit reifte der CFD, und mit der Popularisierung der Cluster-Computer war es durchaus möglich, billig zu laufen. Mit immer mehr Validierungen, bei denen Experimente in Zeitschriften wie dem AIAA-Journal veröffentlicht wurden, wird den CFD-Modellen mehr und mehr vertraut. Heutzutage sind die Kosten für das Durchführen von Experimenten viel teurer als das Durchführen von CFD-Simulationen. Daher werden in den anfänglichen Entwurfsphasen mehr CFD-Simulationen mit vielen Iterationen vor und zurück verwendet, und selbst heute werden CFD-basierte Entwurfsoptimierung (CDO) häufig im Entwurfsprozess verwendet.

Ich verstehe heute, dass Windkanäle heutzutage hauptsächlich aus folgenden Gründen verwendet werden: (1) Testen abgeschlossener Prototypen und (2) Grundlagenforschung in Überschallströmungen, insbesondere zur Entwicklung genauer numerischer Modelle.

In Bezug auf das Erzielen einer Flussähnlichkeit muss der Experimentator wählen, welche Zahl für die Übereinstimmung am wichtigsten ist, wenn Sie zwei unterschiedliche nicht-dimensionale Zahlen haben, wie z. B. die Reynolds-Zahl und die Mach-Zahl. Für Unterschallströmungen sollte die Reynolds-Zahl verwendet werden, wohingegen für Transonik- und Überschallströmungen die Mach-Zahl verwendet werden sollte.

Oft ist es nicht möglich, die Reynolds-Nummer des tatsächlichen Prototyps durch einen Modelltest im Windkanal zu erreichen. Betrachten Sie zum Beispiel eine 747 mit einer Reynolds-Zahl von 2.000.000.000 ( Referenz ). Es ist fast unmöglich, einen Windkanal herzustellen, der mit diesen Reynolds-Zahlen übereinstimmt. Die Menschen haben versucht, die Reynolds-Zahl zu erhöhen, indem sie die Temperatur herabsetzen und Gase mit niedriger Dichte bei niedrigen Temperaturen verwenden. Zum Beispiel ist der europäische transonische Windkanal (ETW) einer der größten kryogenen Windkanäle der Welt, der Stickstoff bis zu -196 $ ^ {\ circ} $ C verwendet, aber nur eine maximale Reynolds-Zahl von 50 Millionen pro Meter erreicht . Bei einer maximalen Testabschnittslänge von 9 Metern wäre die maximal mögliche Reynolds-Zahl 450.000.000, was immer noch weniger als die Hälfte einer Boeing 747 ist. In diesen Fällen haben die Menschen Skalierungsgesetze entwickelt, um die Skalierbarkeit der Ergebnisse auf die größere zu bewältigen Reynolds Nummer. Die Skalierung bezieht sich in erster Linie auf die Dicke der Grenzschicht, die sich auch auf andere Faktoren wie Hautreibung und letztendlich Abheben und Ziehen auswirkt. Im Jahr 2003 fand an der Princeton University eine Sonderkonferenz zur Erörterung dieser Fragen statt. Die Ergebnisse dieser Konferenz waren dieses Buch: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3

Experimente dienen meiner Erfahrung nach nur dazu:

• numerische Methoden validieren
• Auflösen von Flussmerkmalen, die von CFD nicht korrekt erfasst werden (z. B. instationärer Fluss, Längen- und Zeitunterschiede, Fluid-Struktur-Interaktion)

Wie @Wes sagte, ist die Qualität und Genauigkeit moderner CFDs in Kombination mit der Rechenleistung moderner Cluster so hoch, dass sich die Durchführung einfacher Experimente normalerweise nicht mehr lohnt.