This study was performed to investigate aerodynamic characteristics of the 37.5% scaled­ down Green Raven MK18 airframe, to evaluate boundary corrections method, and to investigate on support interference. A wind tunnel test was originally planned on June 2021 at a Large­Low­Speed Wind Tunnel at University of Bristol; however, due to COVID­19 travel restrictions, the test has been postponed to November 2021. In or­der to supplement the work and data directly required for the test, computational fluid dynamics (CFD) investigations were performed in free air and in wind tunnel condi­tions, both with and without support interference, at a Reynolds number of 7E+05. The simulations utilized an incompressible Reynolds-­Averaged­-Navier.­Stokes equa­tion accompanied with k − ω SST for turbulent modelling. Corrections factors were obtained to compensate for wall interference, and results indicate a satisfactory agree­ment between free ­air and wind­ tunnel corrected data for wall interference. The sup­ port structure interferes with the aerodynamic loads produced by the model. Lift and drag decrease, and pitching moment increases compared to WT without support structure condition. / Denna studie utfördes för att undersöka aerodynamiska egenskaper hos det nedskalade Green Raven MK18­flygplanet för 37.5%, för att utvärdera gränskorrigeringsmetoden och för att undersöka stödinterferens. Ett vindtunneltest planerades ursprungligen i juni 2021 vid en stor­låghastighets vindtunnel vid University of Bristol. Men på grund av resebegränsningar för covid­19 har testet skjutits upp till november 2021. För att komplettera det arbete och de data som direkt krävs för testet, utfördes CFD under­ sökningar (Computational Fluid Dynamics) i fri luft och i vindtunnelförhållanden, både med och utan supportinterferens, med ett Reynolds­tal på 7E+05. Simuleringarna använde en inkompressibel Reynolds­Averaged­Navier­Stokes­ekvation tillsammans med k − ω SST för turbulent modellering. Korrigeringsfaktorer erhölls för att kom­ pensera för väggstörningar, och resultaten tyder på en tillfredsställande överensstäm­ melse mellan frilufts­ och vindtunnelkorrigerade data för väggstörningar. Stödstruk­ turen stör de aerodynamiska belastningar som modellen producerar. Lyft och drag minskar och stigningsmomentet ökar jämfört med WT utan stödstruktur.

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität. / Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis / Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis

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Zweck - In dieser Bachelorarbeit werden die öffentlich nicht zugänglichen Technologieparameter von Passagierflugzeugen näherungsweise bestimmt. Das sind maximaler Auftriebsbeiwert bei Start und Landung, maximale Gleitzahl und spezifischer Kraftstoffverbrauch im Reiseflug. Folgende Flugzeuge werden paarweise untersucht und verglichen: A340-300 und IL-96-300, Boeing 727-200 Advanced und TU-154M, Fokker 100 und MD-82, A319-100 und An-72. --- Methodik - Die Berechnung erfolgt mit dem Excel-basierten Werkzeug "Passenger Jet Reverse Engineering" (PJRE). Grundlage der Berechnung ist die aus dem Flugzeugentwurf bekannte Dimensionierung mit dem Entwurfsdiagramm. Für die ausgewählten Passagierflugzeuge werden die erforderlichen Eingangsparameter recherchiert. Die zunächst unbekannten Technologieparameter werden dann mit PRJE sowohl ermittelt als auch verifiziert. --- Ergebnisse - Die Ergebnisse aus dem Reverse Engineering stimmen recht gut überein mit den Werten aus der Verifikation. Lediglich die Werte der maximalen Gleitzahl im Reiseflug sind berechnet aus der Verifikation oft deutlich höher als berechnet aus dem Reverse Engineering. Der spezifische Kraftstoffverbrauch im Reiseflug hat sich über die Jahrzehnte der Flugzeugentwicklung stark verringert. --- Bedeutung für die Praxis - Durch die Konkurrenzsituation der Flugzeughersteller können viele Flugzeugparameter nicht öffentlich zur Verfügung gestellt werden. Die Anwendung von PJRE zeigt, wie diese Parameter trotzdem näherungsweise ermittelt werden können. --- Soziale Bedeutung - Eine detaillierte Diskussion über Flugkosten, Ticketpreise und die Umweltverträglichkeit des Flugverkehrs setzt detaillierte Kenntnisse über die Flugzeuge voraus. Durch ein Reverse Engineering können Verbraucher diese Diskussion mit der Industrie auf Augenhöhe führen. --- Originalität / Wert - Nach der Entwicklung von PJRE wird die Methode hier zum ersten Mal angewandt.

A new aerodynamic device, based on flow interference effects, is studied in order to significantly improve the cornering performance of racing motorcycles in MotoGP. After a brief overview on why standard downforce devices cannot be used on motorcycles, the new idea is introduced and a simplified mechanic analysis is provided to prove its effectiveness. The concept is based on the use of anhedral wings placed on the front fairing, with the rider acting as an interference device, aiming to reduce the lift generation of one wing. Numerical calculations, based on Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, are performed on simplified static 2D and 3D cases, as a proof of concept of the idea and as a preparation for further analysis which may involve experimental wind-tunnel testing. The obtained results show that the flow interference has indeed a significant impact on the lift on a single wing. For some cases the lift can be reduced by 70% to over 90% - which strengthens the possibility of a realistic implementation. / Ett nytt aerodynamisk koncept som nyttjar effekter av flödesinterferenser är utvärderat i syfte att på ett noterbart sätt förbättra en roadracing-motorcykels kurtagningsmöjligheter. Efter en kort genomgång av varför diverse klassiska "downforce" lösningar ej är applicerbara på motorcyklar, presenteras det nya konceptet. Varpå en mekanisk analys genomförs i syfte att se över dess tillämpbarhet. Konceptet bygger på anhedrala vingar som placeras på den främre kåpan, där föraren agerar som ett interferensobjekt, och försöker störa ut lyftkraften som den ena vingen genererar. Numeriska beräkningar baserade på RANS-ekvationer är utförda i förenklade statiska 2D och 3D fall. Som ett vidare steg rekommenderas vindtunneltester. Resultaten visar att flödesinterferenser är ytterst märkbara för vingar och i vissa fall kan lyftkraften reducerats med 70-90%. Detta förstäker möjligheten för en realistisk implementering.

Transportation is the main source of environmental noise in Europe, with an estimated 125 million people affected by excessive noise levels from road traffic, causing a burden of noise related diseases and having a substantial economic impact on society. In order to reduce exposure to high levels of traffic noise, two approaches are the topic of extensive research: preventing sound from propagating from roads and railways using for example noise barriers, and reducing the sources of noise themselves. The second solution, which addresses directly the cause of the problem, requires improved design methods, with a more systematic resort to multi-functional design. Addressing cross-functions simultaneously reduces the number of design iterations and the high cost of prototyping. The work presented in this thesis aims at developing methods that can be used to design quieter vehicle concepts within a multi-functional approach, and is articulated around two main axis of research, aerodynamic sound generation and sound propagation. The first axis aims at performing an aeroacoustic analysis to predict aerodynamic sound sources. A hybrid method is used on the example of a type of submerged air inlet called a NACA duct, where the near-field flow is solved through detached eddy simulation (DES) and where the far-field acoustics is computed using the Ffowcs Williams and Hawkings integral. Results for the flow for various operating conditions are presented and validated against experimental data from the literature, with very good agreement. Far-field acoustic results are shown, exhibiting levels and components that are strongly dependent on the operating conditions. This analysis gives a framework for future aeroacoustic analysis in the project, and sets the path for the development of air inlets with improved aerodynamic and aeroacoustic characteristics. The second axis focuses on the propagation of sound from a given source, moving in an urban environment. An approximate boundary method is presented, which relies on the Kirchhoff approximation applied to the Kirchhoff-Helmholtz integral equation. Using this approximation speeds up the computational time compared to using a regular boundary element method. The resulting expression is extended to account for multiple scattering through consecutive updates of the surface pressures, and for moving sources through the introduction of a retarded time and of a Doppler shift. Validation tests for this method are presented, from simple scatterers to a more realistic configuration, showing good agreement with analytical, experimental and simulated work. / Fordon är den främsta källan till bullerexponering i Europa med uppskattningsvis 125 miljoner människor som är utsatta för höga ljudnivåer från vägtrafik, vilket kan orsaka bullerrelaterade häsloproblem samt har en betydande ekonomisk effekt på samhället. För att minska exponeringen för höga ljudnivåer från fordon, finns det två angreppssätt som båda idag är ämne för omfattande forskning: att förhindra ljudutbredning från vägar och järnvägar (till exempel med hjälp av bullerskydd), samt att minska ljudnivån från olika bullerkällor. Den sistnämnda, som direkt riktar sig till problemets orsak, kräver förbättrade designmetoder med mer systematisk användning av multifunktionell design. Att hantera flera funktioner hos fordonet samtidigt minskar antalet designiterationer och den höga kostnaden för prototyper. Arbetet som presenteras i denna avhandling syftar till att utveckla metoder som kan användas för att utforma tystare fordonskoncept inom ramen för en multifunktionell strategi och fokuserar på två spår i forskningen: aerodynamisk ljudalstring och ljudutbredning från rörliga källor. Det första spåret i forskningen syftar till att utföra en aeroakustisk undersökning för att modellera aerodynamiska ljudkällor. En hybridmetod tillämpas på ett typ av nedsänkt luftintag, kallat NACA-intag, där källområdet i strömningen löses genom detached eddy simulation (DES) och akustiken i fjärrfältet beräknas enligt Ffowcs Williams och Hawkings integral. Resultat för strömningen för olika driftförhållanden presenteras och valideras mot experimentella data från litteraturen, med mycket god överensstämmelse. Resultat för det akustika fjärrfältet visas, vilket uppvisar nivåer och komponenter som är starkt beroende av driftförhållandena. Denna analys ger en ram för kommande analyser av aeroakustik inom projektet och visar vägen för utvecklingen av luftintag med förbättrade aerodynamiska och aeroakustika egenskaper. Det andra spåret i forskningsprojektet är inriktat på ljudets utbredning från en given källa som rör sig i en urban miljö. En approximativ randvärdesmetod presenteras som bygger på Kirchhoff approximation tillämpad på Kirchhoff-Helmholtz integralekvation. Med hjälp av denna approximation minskas beräkningstiden jämfort med vanlig boundary element method (BEM). Modellen utvecklas sedan för att kunna hantera flera reflektioner genom att det akustiska trycket på ytorna uppdateras för varje reflektion samt för att kunna hantera rörliga källor genom att introducera tidsfördröjningar och Dopplerförskjutning. Validering för denna modell presenteras, från enkla spridare till en mer realistisk urban konfiguration, som visar god överensstämmelse med analytiskt, experimentellt och simulerat data. / <p>QC 20151002</p>

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von passiven und elastischen Rückstromklappen, die auch als Flaps bezeichnet werden, auf einen Tragflügel mit NACA0020 Profil untersucht. Mithilfe einer Kraftwaage erfolgte zunächst die Erfassung der Auswirkungen auf das aerodynamische Verhalten des Tragflügels vor und nach der Strömungsablösung. Für ein detailliertes Verständnis wurde zusätzlich die Umströmung mit der Rauchdrahttechnik visualisiert und die Flapkinematik mit der Stereo Vision Technik aufgenommen. Es konnte festgestellt werden, dass die Vorderkantenflaps mit der geringsten Biegesteifigkeit die Gleitzahl des Tragflügels vor allem in abgelöster Strömung erhöhen. Die festgestellte Auftriebssteigerung resultiert aus der langsamen Aufstellbewegung und beschleunigten Anlegebewegung der Flaps, die eine einhergehende Reduzierung der turbulenten Ablösung verursachen. Die Ergebnisse der Arbeit liefern zahlreiche Erkenntnisse, die eine Übertragung des festgestellten Effekts auf andere technische Anwendungen erleichtern.:Abbildungsverzeichnis....................................................................... VII Tabellenverzeichnis............................................................................ XII Symbol- & Abkürzungsverzeichnis..................................................XVI 1 Einleitung......................................................................................... 1 2 Stand der Forschung........................................................................ 4 2.1 Wesentliche Aspekte von Profilumströmungen ................................. 4 2.2 Zusammenfassung essenzieller Aspekte von Tragflügeln mit Flaps ......7 3 Numerische Untersuchung der Profilumströmung....................... 13 3.1 Numerische Modell ......................................................................13 3.1.1 Grundgleichungen und Turbulenzmodell ..............................13 3.1.2 Randbedingungen und Diskretisierungsschema .....................16 3.2 Ergebnisse für das NACA0018 Profil .............................................18 3.3 Ergebnisse für das NACA0020 Profil .............................................19 3.4 Schlussfolgerung aus den Simulationen ..........................................22 4 Kraftmessungen an einem NACA0020 Tragflügel ....................... 23 4.1 Versuchsvorbereitung ...................................................................23 4.1.1 Windkanal ........................................................................23 4.1.2 Tragflügel und Funktionsweise der Kraftwaage .....................25 4.2 Messunsicherheit und Validierung .................................................27 4.3 Position der Flaps auf dem Tragflügel............................................ 31 4.3.1 Flapgeometrie und Flappositionen....................................... 31 4.3.2 Polardiagramme für variierende Flapposition........................34 4.4 Faserverstärkte Silikonflaps...........................................................36 4.4.1 Verwendeten Materialien ....................................................36 4.4.2 Polardiagramm für faserverstärkte Silikonflaps .....................38 4.5 Flapgeometrie .............................................................................40 4.5.1 Untersuchte Flapformen .....................................................40 4.5.2 Polardiagramm der untersuchten Flapformen ....................... 41 4.6 Wirkung der Flaps bei instationären Anströmung...........................43 4.6.1 Versuchsdurchführung ........................................................43 4.6.2 Ergebnisse der instationären Untersuchung...........................45 4.7 Schlussfolgerung der Auftriebs- und Widerstandsuntersuchungen .....47 5 Strömungsvisualisierung mithilfe der Rauchdrahttechnik........... 49 5.1 Experimenteller Aufbau ...............................................................49 5.2 Vorgehensweise bei der Auswertung...............................................50 5.3 Ergebnisse der Visualisierung........................................................ 51 6 Flapkantenkinematik..................................................................... 58 6.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ....................................58 6.2 Bildauswertung ........................................................................... 61 6.3 Ergebnisse ..................................................................................62 6.3.1 VK Konfiguration - ohne Faserverstärkung...........................62 6.3.2 Bewegungsausführung des Vorderkantenflaps der VK-HK Konfiguration - ohne Faserverstärkung.......................................69 6.3.3 Bewegungsausführung des Vorderkantenflaps der VK-HK Konfiguration - mit Faserverstärkung ........................................75 6.3.4 Auswertung und Interpretation ...........................................82 7 Zusammenfassung.......................................................................... 87 8 Ausblick.......................................................................................... 89 Anhang ................................................................................................ 97 A Anhang 1....................................................................................97 B Anhang 2....................................................................................98 C Anhang 3....................................................................................99 / In the following study the effects of elastic and passive flaps were investigated on an airfoil with a NACA0020 profile. At first the aerodynamic performance of different configurations was measured with a force balance. In order to detect its effects before and after stall the angle of attack was varied during the experiments. For the configurations with increased aerodynamic performance additional experiments were carried out. The smoke wire visualization and stereo vision technique allowed a detailled insight in the flow around the NACA0020 profile and the flap movement. The results show that elastic flaps at the leading and trailing edge of the airfoil improve notably the airfoil performance in deep stall. Furthermore, the highest increase of the lift-to-drag ratio was achieved for the configuration with lowest bending stiffness. It was observed that the highest reduction of the turbulent separation region is caused by the flap movement. The increase of lift-to-drag ratio results from a slow upward and a fast downward motion of the elastic flap. The study delivers helpful information for transfer of the observed effect to other technical applications.:Abbildungsverzeichnis....................................................................... VII Tabellenverzeichnis............................................................................ XII Symbol- & Abkürzungsverzeichnis..................................................XVI 1 Einleitung......................................................................................... 1 2 Stand der Forschung........................................................................ 4 2.1 Wesentliche Aspekte von Profilumströmungen ................................. 4 2.2 Zusammenfassung essenzieller Aspekte von Tragflügeln mit Flaps ......7 3 Numerische Untersuchung der Profilumströmung....................... 13 3.1 Numerische Modell ......................................................................13 3.1.1 Grundgleichungen und Turbulenzmodell ..............................13 3.1.2 Randbedingungen und Diskretisierungsschema .....................16 3.2 Ergebnisse für das NACA0018 Profil .............................................18 3.3 Ergebnisse für das NACA0020 Profil .............................................19 3.4 Schlussfolgerung aus den Simulationen ..........................................22 4 Kraftmessungen an einem NACA0020 Tragflügel ....................... 23 4.1 Versuchsvorbereitung ...................................................................23 4.1.1 Windkanal ........................................................................23 4.1.2 Tragflügel und Funktionsweise der Kraftwaage .....................25 4.2 Messunsicherheit und Validierung .................................................27 4.3 Position der Flaps auf dem Tragflügel............................................ 31 4.3.1 Flapgeometrie und Flappositionen....................................... 31 4.3.2 Polardiagramme für variierende Flapposition........................34 4.4 Faserverstärkte Silikonflaps...........................................................36 4.4.1 Verwendeten Materialien ....................................................36 4.4.2 Polardiagramm für faserverstärkte Silikonflaps .....................38 4.5 Flapgeometrie .............................................................................40 4.5.1 Untersuchte Flapformen .....................................................40 4.5.2 Polardiagramm der untersuchten Flapformen ....................... 41 4.6 Wirkung der Flaps bei instationären Anströmung...........................43 4.6.1 Versuchsdurchführung ........................................................43 4.6.2 Ergebnisse der instationären Untersuchung...........................45 4.7 Schlussfolgerung der Auftriebs- und Widerstandsuntersuchungen .....47 5 Strömungsvisualisierung mithilfe der Rauchdrahttechnik........... 49 5.1 Experimenteller Aufbau ...............................................................49 5.2 Vorgehensweise bei der Auswertung...............................................50 5.3 Ergebnisse der Visualisierung........................................................ 51 6 Flapkantenkinematik..................................................................... 58 6.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ....................................58 6.2 Bildauswertung ........................................................................... 61 6.3 Ergebnisse ..................................................................................62 6.3.1 VK Konfiguration - ohne Faserverstärkung...........................62 6.3.2 Bewegungsausführung des Vorderkantenflaps der VK-HK Konfiguration - ohne Faserverstärkung.......................................69 6.3.3 Bewegungsausführung des Vorderkantenflaps der VK-HK Konfiguration - mit Faserverstärkung ........................................75 6.3.4 Auswertung und Interpretation ...........................................82 7 Zusammenfassung.......................................................................... 87 8 Ausblick.......................................................................................... 89 Anhang ................................................................................................ 97 A Anhang 1....................................................................................97 B Anhang 2....................................................................................98 C Anhang 3....................................................................................99

Loads determination for external stores on fighter aircraft is an important task for manufacturers in ensuring the safe operation of their aircraft. Due to the large number of possible store combinations, wind tunnel tests – the primary approach to obtaining loads data – cannot be performed for all configurations. Instead, supplementary techniques to estimating loads are necessary. One approach is to use information from another store and adapt it, using so-called scaling methods, to the non-tested store. In this thesis, a scaling method combining the results of computational fluid dynamics (CFD) simulations, for both a non-tested and a reference store, with existing wind tunnel data for the reference store, is thoroughly examined for a number of different stores, angles of attack, sideslip angles and Mach numbers. The performance of the proposed scaling method is assessed in relation to currently used scaling methods, using non-parametric and multivariate statistics. The results show no definitive improvement in performance for the proposed scaling method over the current methods. Although the proposed method is slightly more conservative, considerable variability in the estimates and an increased time consumption for scaling leads the author to advise against using the proposed method for scaling aerodynamic loads on external stores. / Lastbestämning för yttre utrustning på stridsflygplan är en viktig uppgift för att tillverkarna ska kunna garantera säkerheten för sina flygplan. Då antalet möjliga utrustningskombinationer är mycket stort, kan inte vindtunneltester – normalt den främsta metoden för att erhålla lastdata – utföras för alla konfigurationer. Således behövs kompletterande metoder för att skatta laster. Ett alternativ är att använda data från en annan utrustning och anpassa den, med hjälp av så kallade skalningsmetoder, till den icke-testade utrustningen. I detta examensarbete behandlas en skalningsmetod som kombinerar resultaten från numeriska strömningsberäkningar – så kallade CFD-simuleringar – för både en testad och en icke-testad utrustning med befintliga vindtunneldata för den testade utrustningen. Metoden undersöks grundligt för ett antal olika utrustningar, anfallsvinklar, sidanblåsningsvinklar och Machtal. Prestandan hos den föreslagna skalningsmetoden utvärderas i relation till nu använda skalningsmetoder, baserat på icke-parametrisk och multivariat statistik. Resultaten visar inga definitiva förbättringar av prestanda för den föreslagna skalningsmetoden jämfört med de nuvarande metoderna. Även om den föreslagna metoden är något mer konservativ, så föranleder betydande variationer i skattningar och en ökad tidsåtgång för skalning författaren att avråda från att använda den föreslagna metoden för skalning av luftlaster på yttre utrustning.

This thesis explains how the classified design parameters of existing passenger jets can be determined. The classified design parameters are; the maximum lift coefficient for landing and take-off, the maximum aerodynamic efficiency and the specific fuel consumption. The entire concept is based on the preliminary sizing of jet powered civil aeroplanes. This preliminary sizing is explained in detail because it is the foundation of the final result. The preliminary sizing is combined using reverse engineering which is not a strict method. Therefore, only the basics are explained. By applying reverse engineering on the preliminary sizing and aiming for the classified design parameters as output, formulas are derived to calculate the maximum lift coefficients, the maximum aerodynamic efficiency and the specific fuel consumption. The goal is to calculate these parameters, using only aircraft specifications that are made public by the manufacturer. The calculations are complex with mutual relations, iterative processes and optimizations. Therefore, it is interesting to integrate everything in a tool. The tool is built in Microsoft Excel and explained in detail adding operating instructions. The program is executed for miscellaneous aeroplanes, supported with the necessary comments. Investigated aeroplanes are: Caravelle 10B (Sud-Aviation), Boeing 707-320C, BAe 146-200 (British Aerospance), A320-200 (Airbus), "The Rebel" (based on A320), Boeing SUGAR High, Boeing 747-400, Blended Wing Body VELA 2 (VELA) and Dassault Falcon 8X.