Critical wake vortex encounter scenarios

A simulation-based method was developed to investigate the severity of Wake Vortex Encounters (WVEs). This paper describes an important part of this method: the determination of worst-case WVE conditions, which is referred to as Worst-Case Search (WCS). The WCS results permit to reduce time and costs of WVE severity related piloted simulator tests and allow the comparison of the hazard that vortices of different generator aircraft exert on a follower aircraft.The WCS is based on a high fidelity, offline simulation of the follower aircraft that includes the interacting wake vortex, a hazard criterion that rates the severity of each WVE, and a pilot model. It can be formulated as an optimisation problem that is solved with the optimisation tool MOPS (Multi Objective Parameter Synthesis). MOPS varies the encounter geometry until the simulation yields maximum values of the WVE hazard criterion.Worst-case encounter conditions for different parameters were investigated and sensitivity studies performed. The influence of the height above ground, the core radius, and the models for the wake vortex velocity profiles on the severity of a WVE was examined. To show the capability of the method, a comparison of the severity of a WVE behind two different heavy transport aircraft for a 20 t aircraft was made. The WCS method demonstrated its applicability and delivered the worst-case encounter geometry.

Zusammenfassung

Zur Untersuchung der Heftigkeit von Wirbelschleppen wurde eine simulationsbasierte Methode entwickelt. Dieser Beitrag beschreibt einen wichtigen Bestandteil dieser Methode: die Bestimmung der ungünstigsten (worst case) Einflugbedingungen in die Wirbelschleppe. Die Kenntnis dieser Bedingungen gestattet eine Zeit- und Kostenreduzierung bei wirbelschleppenbezogenen Simulatorversuchen mit Piloten und ermöglicht gleichzeitig einen Vergleich der vom Wirbel ausgehgehenden Gefährdung für verschiedene Kombinationen voraus- und einfliegender Flugzeuge.Die Worst-Case-Bedingungen werden mit einer Offline-Simulation des Folgeflugzeugs bestimmt, die Modelle für die Wechselwirkung mit der Wirbelschleppe und für das Pilotenverhalten sowie Kriterien für die Gefährdung durch den Wirbel umfasst. Für die Steuerung der Simulation und die Worst-Case-Suche wird die Optimierungssoftware MOPS (Multi Objective Parameter Synthesis) verwendet. MOPS variiert die Geometrie des Wirbelschleppendurchflugs bis die Simulation die maximalen Kriterienwerte für die Gefährdung durch den Wirbel liefert.Die Worst-Case-Bedingungen wurden für unterschiedliche Parameter untersucht. Der Einfluss der Höhe über Grund, des Kernradius' und der unterschiedlichen Modelle für das Wirbelgeschwindigkeitsprofil auf die von den Wirbelschleppen ausgehenden Gefährdung wurde dabei ermittelt. Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu demonstrieren, wurde die Gefährdung von Wirbelschleppen zweier generierender Flugzeuge (heavy class) auf ein nachfolgendes 20 t Transportflugzeug verglichen. Die Anwendbarkeit der Methode wurde bestätigt und die ungünstigsten Einflugbedingungen berechnet.     

Simulation of streamwise vortices at the flaps of re-entry vehicles

The present study investigates separated flows in the flap region of the X-38 re-entry demonstrator with respect to the heat loads downstream reattachment induced by streamwise vortices. In a first step generic numerical flow simulations of turbulent ramp configurations with artificially induced vortex disturbances are compared with wind tunnel data of the Ludwieg tube facility in Göttingen (RWG). The results allow insight into the perturbed flow field, the associated flow topology and the influence of different flow parameters that affect the perturbations. For numerical resolution of streamwise vortices in the boundary layer of re-entry vehicles local grids are generated around the flaps of the X-38 vehicle. Extensive studies of arranging and refining the local grids demonstrate good grid convergence. For laminar cases and cases with fixed transition vortex effects on the heat transfer are observed with and without artificial vortex excitation.

Zusammenfassung

Ziel der vorgelegten Studie ist die Untersuchung abgelöster Strömungen im Klappenbereich des X-38 Wiedereintrittsdemonstrators hinsichtlich der durch Längswirbel entstehenden thermischen Belastungen stromab der Anlegelinie. Im ersten Schritt werden turbulente generische Rampenkonfiguratiorien mit künstlich induzierten Wirbelstörungen mit Windkanaldaten des Ludwierohrkanals in Göttingen (RWG) verglichen. Die Ergebnisse erlauben einen Einblick in die Störströmung, der zugehörige Strömungstopologie und der Einflüsse verschiedener Parametervariationen auf die Störströmung. Zur numerischen Auflösung der Längswirbel in der Grenzschicht von Wiedereintrittsvehikeln wurden lokale Netze um die X-38 Klappen generiert. Ausführliche numerische Studien nach Umordnung und Verfeinerung der lokalen Netze zeigen eine gute Netzkonvergenz der Ergebnisse. In laminaren Fällen und solchen mit fester Transition wurden Wirbeleinflüsse auf den Wärmestrom mit und ohne künstliche Wirbelanregung beobachtet.