Design of Efficient High-Lift Configurations with Coanda Flaps

Burnazzi, Marco GND

Active flow control applied to high-lift systems is a promising solution to improve low-speed flight capabilities and reduce noise emissions of commercial aircraft. However, too high power requirements in relation to the achieved lift gains have prevented active high-lift systems from being largely employed in the aeronautical industry. In this context, this work develops technologies to enhance the aerodynamic efficiency of an active high-lift system by means of RANS numerical simulations. The transonic airfoil DLR-F15 is equipped with an active internally-blown flap, which consists of a thin air jet tangentially blown over the shoulder of a simple-hinged flap deflected by 65°. To improve the lift generated by the airfoil, the effects of a flexible droop-nose device, wall suction and unsteady blowing are investigated. The fundamentals of gap-less droop-nose design are presented, describing the aerodynamic sensitivities of the main geometrical parameters and the physical phenomena that determine the lift performance. The efficiency of the resulting droop-nose configuration is also tested on a wing-body aircraft model. The analysis reveals three-dimensional flow mechanisms that limit the lift performance in operative conditions. The airfoil efficiency is then further improved by adding a boundary-layer suction device. The effects of shape and location of the suction slot are studied to maximize the lift coefficient and pressure recovery. Finally, the effectiveness of unsteady excitation of the mixing layer by means of dynamic blowing is investigated. As a final result, a target maximum lift coefficient of 5.0 can be achieved with a 43% lower jet-momentum coefficient with respect to the baseline airfoil configuration.

Die Anwendung von aktiver Strömungskontrolle bei Hochauftriebssystemen ist eine vielversprechende Lösung, um die Langsamflugeigenschaften eines Verkehrsflugzeugs zu verbessern und die Lärmemissionen zu verringern. Bislang verhindert jedoch das zu geringe Verhältnis aus erzielbarem Auftriebsgewinn und eingesetztem Impuls des Ausblasens eine breite Anwendung von aktiven Hochauftriebssystemen in der Luftfahrtindustrie. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen neue Technologien entwickelt, um die Effizienz eines aktiven Hochauftriebssystems zu verbessern. Hierzu wird das transsonische Profil DLR-F15 mit einer angeblasenen Coanda Klappe ausgestattet, die aus einem dünnen, tangential ausgeblasenen Strahl auf der Oberseite der um 65° ausgeschlagenen Klappe besteht. Um den resultierenden Auftrieb zu erhöhen, werden die Effekte einer formadaptiven Senknase, von Wandabsaugung und einer dynamischen Ausblasung quantifiziert. Durch eine aerodynamische Sensitivitätsanalyse bezüglich der wesentlichen geometrischen Parameter sowie durch eine Beschreibung der physikalischen Phänomene, die für die Auftriebserzeugung verantwortlich sind, werden die Entwurfsgrundlagen für spaltlose Senknasen herausgearbeitet. Die Leistungsfähigkeit der resultierenden Senknase wird zudem an einer vollständigen Flügel-Rumpf-Konfiguration erprobt. Die Untersuchung ihres Überziehverhaltens zeigt zusätzliche drei-dimensionale Strömungsmechanismen, welche den Auftrieb unter Betriebsbedingungen beschränken. Mit Hilfe von Grenzschichtabsaugung kann der Profilwirkungsgrad weiter erhöht werden. Die Einflüsse der Absaugeposition und der Absaugegeometrie werden analysiert, um den Auftriebsbeiwert und den Druckrückgewinn am Ende des Einlasskanals zu maximieren. Schließlich wird die Wirksamkeit einer instationären Anregung der Mischungsschicht durch dynamisch aktuiertes Ausblasen untersucht. Als abschließendes Ergebnis kann der Zielauftriebsbeiwert von 5.0 mit einem um 43% verringerten Strahlimpuls im Vergleich zur Referenzkonfiguration erreicht werden.

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Burnazzi, Marco: Design of Efficient High-Lift Configurations with Coanda Flaps. Aachen 2017. Shaker.

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