ISBN 9783843921077

978-3-8439-2107-7, Reihe Ingenieurwissenschaften

Daniel Klatt
Experimentelle und numerische Untersuchung des Magnuseffekts in Überschallströmungen

157 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Als Magnuseffekt werden die fluidmechanischen Phänomene bezeichnet, die ein querangeströmter, rotierender Körper erfährt. Schlanke, statisch instabile Flugkörper werden durch eine Rotationsbewegung um die Längsachse dynamisch stabilisiert. Hierbei tritt der Magnuseffekt als seitliche Kraft und gierendes Moment in Erscheinung.

Im Bereich der höheren Anstellwinkel (α>10°-20°) sind die auftretenden Phänomene für Überschallströmungen bisher noch nicht behandelt. Daher wird in dieser Arbeit der Einfluss des Anstellwinkels zwischen der Anströmungsrichtung und der Rotationsachse des Modells auf den Magnuseffekt numerisch in einem Anstellwinkelbereich von 0° bis 90° untersucht.

Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich zunächst mit der experimentellen Vermessung des Magnuseffekts. Die Analyse des Strömungsfelds mit optischen Visualisierungsmethoden ermöglicht es, die Einflüsse, die durch die Modellrotation hervorgerufen werden, qualitativ zu veranschaulichen. Zusätzlich wird durch die Vermessung der wirkenden Kräfte und Momente der Magnuseffekt einer quantitativen Untersuchung zugänglich gemacht.

Im zweiten Teil der Arbeit werden numerische Strömungssimulationen durchgeführt, um den aus messtechnischen Gründen auf 15° beschränkten Anstellwinkelbereich bis 90° untersuchen zu können. Zunächst werden die Vorhersagemöglichkeiten der Simulationsmethoden bezüglich der experimentellen Versuchsdaten überprüft, um dann im Anschluss den Anstellwinkelbereich auf 90° zu erweitern. Diese Überprüfung ist notwendig, da es durch die Rotation des Modells zu komplexen, fluidmechanischen Interaktionen zwischen der Strömung und der bewegten Modelloberfläche kommt. Mit den validierten Simulationen ist eine tiefgreifende Analyse des Strömungsfelds möglich. Durch den Vergleich der Strömungstopologien, die sich für verschiedene Anstellwinkel einstellen, wird der Einfluss der Modellrotation veranschaulicht. Die Verteilung der Seitenkraft entlang der Längsachse beziehungsweise der Umfangsrichtung des Modells erlaubt eine quantitative Untersuchung des Magnuseffekts.

In dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich dem bereits durch Untersuchungen aus der Literatur bekannten Anstieg der Seitenkraft mit dem Anstellwinkel auf einen maximalen Wert ein Plateaubereich anschließt. Durch einen nichtlinearen Rückgang fällt die Seitenkraft daraufhin auf etwa die Hälfte des maximalen Werts ab und ändert sich dann bis 90° Anstellwinkel lediglich geringfügig.