Einleitung

Kleine, abgeknickte Hinterkanten, sog. Gurney-Flaps führen zu einem erhöhten Auftrieb, der sich über den gesamten Anstellwinkelbereich erstreckt. In der Regel ist er jedoch mit einer Widerstandszunahme und Nachlaufinstabilitäten verbunden. Die Wirkung solcher und ähnlicher Methoden der passiven Strömungsbeeinflussung auf die integralen Leistungsmerkmale eines Flügels sind weitgehend bekannt, die sich ausbildenden instationären Strömungsstrukturen dagegen blieben in der Vergangenheit meist unbeachtet. Von Interesse sind vor allem solche Strömungsdetails, die experimentell nur begrenzt oder mit großem Aufwand zugänglich sind. Unklar ist insbesondere, wie die Strömungsstrukturen beschaffen sind, inwieweit sie dreidimensionalen Charakter zeigen. Auf der Grundlage einer Lösung der Navier-Stokes Gleichungen wird der Einfluss der Hinterkantenmodifikation auf die turbulente Umströmung eines Tragflügelprofils vom Typ HQ17 numerisch simuliert. Gemeinsam mit den Ergebnissen experimenteller Studien von Bechert tragen diese Untersuchungen zum verbesserten strömungsphysikalischen Verständnis der Wirkungsweise von Hinterkantenmodifikationen bei. Die gewonnenen Erkenntnisse können zur Weiterentwicklung passiver Methoden der Strömungsbeeinflussung genutzt werden, deren wesentlicher Vorteil darin besteht, dass sie ohne externe Energiezufuhr auskommen. Verfolgt werden die beiden Konzepte der beweglichen Rückstromklappen und der Gurney-Flaps, die letztlich der Leistungssteigerung von Flugzeugtragflächen dienen. Die Erfassung der dabei auftretenden turbulenten Strömungsphänomene erfolgt mit den gegenwärtig verfügbaren Modellkonzepten der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (URANS) und der Grobstruktursimulation im Sinne eines Detached-Eddy-Ansatzes (DES). Die Modellkonzepte werden kritisch im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit für instationäre turbulente Hochauftriebsströmungen überprüft und ihre Stärken kombiniert, um darauf aufbauend eine verbesserte und strömungsphysikalisch abgesicherte Modellierung zu ermöglichen.

Gurney-Flaps sorgen im wesentlichen für eine Veränderung der Abflussbedingung. Zuerst wurden Gurney-Flaps von Daniel Gurney am Heckflügel eines Rennwagens eingesetzt. In der Fahrzeugaerodynamik spielen sie seitdem eine wichtige Rolle, weil die vergleichsweise kleinen und billigen Bauteile eine sehr große Wirkung haben können. Eine Beschreibung ihrer integralen Wirkung wird von Liebeck gegeben [9], der das Konzept in die Flugzeugaerodynamik übernommen hat. In zahlreichen experimentellen und numerischen Untersuchungen von Gurney-Flaps ist zum einen die Wirkung an nackten Profilen [10,11,12] und zum anderen der Einsatz in Kombination mit Hochauftriebskonfigurationen [13] untersucht worden. Im Mittelpunkt stand dabei ihre Wirkung auf die mittlere Strömung und auf die integralen Beiwerte. Ein Nebeneffekt von üblichen Bauweisen ist der vergrößerte Widerstand. Bechert u.a. [10] befassen sich deshalb mit unterschiedlichen Formen von Gurney-Flaps und Hinterkantenmodifikationen, die helfen sollen, den zusätzlichen Widerstand zu vermindern, unter anderem mit solchen, die der Form von Libellenflügeln nachempfunden sind. Eine bedeutende Ursache des Widerstandszuwachses liegt in der sich ausbildenden instationären Wirbelstraße hinter der Flügelhinterkante. Sie ist auch die Quelle verstärkter Lärmerzeugung. Schon in den 70er Jahren erfolgten erste Analysen der instationären Nachlaufstrukturen durch Liebeck [9], wobei bereits vermutet wurde, dass die sich im direkten Nachlauf eines Gurney-Flaps bildenden Zwillingswirbel einen entscheidenden Einfluss auf das Widerstandsverhalten der gesamten Profilumströmung haben. Die Details sind unseres Wissens nach numerisch bisher nur mit Standardturbulenzmodellen untersucht worden [14], die keinen Zugang zu den Strömungsdetails erlauben. Wünschenswert wäre eine Stabilisierung des Nachlaufs, beispielsweise durch kleine Bauteile im Nachlaufbereich des Gurney-Flaps oder durch ''Splitter-Plates'', welche bereits bei Zylinderumströmungen erfolgreich eingesetzt worden sind [24]. Die Auslegung solcher Bauteile erfolgte in der Vergangenheit auf der Basis stationärer Simulationen.