Software

CFD-Analyse von aerodynamischen Wechselwirkungen

Deborah Saban, London (GB)

Bild 3: Spannweitige Komponente des Geschwindigkeitsfelds um UAV1 und UAV2, dargestellt in der xy-Ebene oberhalb der rechten Flügeloberfläche.
Die letzen Jahre brachten ein zunehmendes Interesse an der Entwicklung von unbemannten Drohnen (auf Englisch: UAV – Unmanned Aerial Vehicles) und deren Einsatzmöglichkeiten hervor, welche längst nicht mehr nur auf den militärischen Bereich beschränkt sind. UAVs, die entweder ferngesteuert oder komplett autonom fliegen, bieten sowohl eine sichere und kostengünstigere Alternative zu bemannten Flugzeugen, als auch eine wertvolle Beobachtungsplattform aus der Vogelperspektive, die sich zwischen bodengestützter und satellitenbasierter Beobachtung eingliedert.

Diese Überlegungen bereiteten den Weg für den Einsatz der Drohnen in vielen anderen Bereichen, zum Beispiel bei der Landessicherheit (wie Polizeiüberwachung und Grenzkontrolle), den öffentlichen Einrichtungen (wie Brandbekämpfung, Such- und Rettungsdienste, Strom- und Fernleitungskontrolle, chemische und Luftverschmutzungs-Nachweisung und klimatische Überwachung) sowie in kommerziellen Bereichen (wie bei der geographische Erfassung, für luftgestützte Kommunikationsdienste und die Schädlingsbekämpfung) und machten sie somit zur ersten Wahl bei so genannten 3D-Missionen (auf Englisch: dirty, dull and dangerous – dreckig, stumpfsinnig und gefährlich). Bei einigen Einsätzen, beispielsweise bei der Luftbetankung und Munitionsnachladung in der Luft, dem Start und der Bergung in der Luft oder auch bei der Luftüberwachung, ist es außerdem erforderlich, dass mehrere Drohnen in enger Formation fliegen können. Folglich muss untersucht werden, welche Auswirkungen die von einer Drohne verursachten Wirbel auf die begleitenden Drohnen haben.

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Dieser Artikel veranschaulicht, wie die CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) Star-CCM+ dazu eingesetzt wird, die Strömungskopplung zwischen den Drohnen und deren Konsequenzen im engen Formationsflug zu analysieren. Zu diesem Zweck wird eine Formation von zwei identischen Nurflügeldrohnen mit Druckpropeller betrachtet. Beide Drohnen fliegen auf gleicher Ebene in gleichbleibender Formation. Die hintere Drohne fliegt 0,9 Spannweiten hinter und 0,9 Spannweiten rechts von der vorderen Drohne. Im Folgenden wird die vorausfliegende Drohne als UAV1 und die nachfolgende als UAV2 bezeichnet.

Der gesamte Simulationsprozess vom Pre-Processing bis hin zum Post-Processing wird mit Hilfe der Star-Software von CD-adapco berechnet. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades kann sich der Benutzer von Star-CCM+ vollständig auf die Analyse der Simulationsergebnisse konzentrieren, anstatt sich mit zeitaufwendigen und sich oft wiederholenden Arbeitsschritten beschäftigen zu müssen. Dies wird durch die folgenden Arbeitsschritte veranschaulicht.

Die Geometrie einer Drohne (UAV1) wird automatisch importiert, aufbereitet und zur Gittergenerierung vorbereitet. Der Surface Wrapper von Star-CCM+ ermöglicht es, unabhängig von der Komplexität und der Qualität der importierten Geometrie, ein sauberes Oberflächennetz ähnlich einer »zweiten Haut« zu erstellen. Dieser optionale Vorgang kann innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden und erspart dem CAD- beziehungsweise CFD-Ingenieur stundenlange – wenn nicht sogar tagelange – und eintönige Tätigkeiten zur Oberflächenbereinigung, bei der jede Zelle einzeln betrachtet werden müsste.

Um die Geometrie der zweiten Drohne (UAV2) zu erzeugen, wird die erste Drohne (UAV1) einfach andie gewünschte Stelle kopiert. Dieser Vorgang kann beliebig wiederholt werden, je nachdem wie viele Drohen für eine Formation notwendig sind. Anschließend wird ein großes Kontrollvolumen erzeugt, dass die erzeugten beziehungsweise kopierten Drohnenbeinhaltet, und mit Tetraeder-, Polyeder- oder Hexaederzellen vernetzt. Durch den Einsatz von Polyedernetzen, ein weiteres innovatives Feature von Star-CCM+, kann mit maximal einem Fünftel der Zellen im Vergleich zu einem Tetraedernetz dieselbe Präzision erreicht werden. Dadurch lässt sich die Produktivität und Effizienz einer Simulation steigern, ohne die Genauigkeit der Lösung zu beeinträchtigen.

Einige auf Volumenkörper gestützte Netzverfeinerungen werden verwendet, um die Wirbelströmungen der einen Drohne (UAV1) und deren Einfluss auf eine andere Drohne (UAV2) erfassen zu können.

Als letztes werden die physikalischen Eigenschaften des Fluides definiert, Modelle ausgewählt, Referenzwerte gesetzt und das Strömungsfeld initialisiert. Danach kann die Simulation in Star-CCM+ durchgeführt und mit dem integrierten, leistungsfähigen Post-Processing-Tool ausgewertet werden.
Die Post-Processing-Ergebnisse, dargestellt in den Bildern 1–4, veranschaulichen deutlich die Entstehung der Wirbelzöpfe hinter den Flügeln der Drohnen. In Bild 1 ist die Wirbelstärke hinter UAV1 dargestellt. In Bild 2 ist gut erkennen, wie die durch den Randwirbel an der Flügelspitze von UAV1 induzierte auf- und abwärts-gerichtete Strömung das UAV2 beeinflussen. Dasselbe gilt für die induzierten Quergeschwindigkeiten, die in Bild 3 in einer xy-Ebene dargestellt sind, die sich oberhalb Flügeloberfläche befindet. Wie erwartet ist die durch den Randwirbel induzierte Quergeschwindigkeit unterhalb der Flügelunterseite entgegengesetzt gerichtet (nicht dargestellt). Die starke Verwirbelung ist auch in Bild 4 deutlich sichtbar, das das tangentiale Geschwindigkeitsfeld hinter UAV2 zeigt.

Diese Beobachtungen bestätigen die bereits wohlbekannte Tatsache, dass die Wirbelströmung eine starke atmosphärische Beeinträchtigung darstellt, die abhängig von der Position der Drohnen zueinander entweder vorteilhaft, nachteilig oder sogar gefährlich sein kann. Gefährlich wegen des starken und manchmal unerwarteten Rollmoments, dass auf ein in den Wirbelzopf einfliegendes Luftfahrzeug einwirkt. Vorteilhaft ist es dann, wenn die nachfolgende Drohne sich im Aufwind der vorausfliegenden Drohne positioniert, was den induzierte Widerstand des nachfliegenden Flugzeugs dramatisch reduziert und dadurch zu einer signifikanten Kerosineinsparung und/oder einer größeren Reichweite bei vorgegebener Nutzlast führt. Dies bedeutet erhebliche wirtschaftliche als auch ökologische Vorteile, die in der heutigen Zeit nicht unberücksichtigt gelassen werden sollten, in der das Augenmerk auf die Entwicklung von neueren, umweltschonerenden und kostengünstigeren Technologien gerichtet ist.

Dieser Trick wurde nicht von den CFD-Ingenieuren erfunden: Gänse und Enten benutzen die V-förmigen Anordnung auf ihren Wanderungen seit Anbeginn der Zeit. Das farbenreiche Post-Processing-Tool von Star-CCM+ ermöglicht dem CFD-Ingenieur, dies auf künstlerische Art darzustellen. Natürlich aber nicht als Kunst um der Kunst willen. Star-CCM+ ist eine schnelle, mächtige und benutzerfreundliche integrierte Umgebung und zeigt sich als ideale Plattform, um sowohl die Vorteile als auch die Risiken und Probleme abzuschätzen, die bei der Entstehung von Verwirbelungen verursacht werden. Damit kann eine zuverlässige wissenschaftliche Grundlage gebildet werden, die als Vorraussetzung für die Entwicklung von neuen Prozessen und Richtlinien bei engen UAV-Formationsflügen dient. -fr-

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