Diese Arbeit untersucht hybride RANS-LES-Turbulenzmodelle im Kontext der Fahrzeugklimatisierung. Dabei werden vorhandene Potentiale und mögliche Herausforderungen aufgezeigt. Zentrale Punkte bei der Verwendung hybrider Turbulenzmodelle sind die Schnittstellendefinition für den RANS-LES-Wechsel und die Behandlung erhöhter CFL-Zahlen in der LES-Region. Prinzipiell werden die Zeitschrittweiten auf maximale CFL-Zahlen um 1 im LES-Bereich beschränkt. Diese Beschränkung kann jedoch zu immensen Rechenzeiten führen, was die praktische Umsetzbarkeit der Methoden erschwert. Mit Blick auf die limitierten Ressourcen in Fahrzeugprojekten werden verschiedene Erweiterungen der hybriden Turbulenzmodelle eingeführt und diskutiert. Die Überlegungen dieser Arbeit umfassen den gesamten Luftpfad vom Klimagerät bis in den Innenraum. Es wird gezeigt, dass der Einsatz isotroper Wirbelviskositätsmodelle in der Fahrzeugklimatisierung zu qualitativ falschen Aussagen führen kann. Insbesondere Strömungen, die stark durch Anisotropie geprägt sind, werden möglicherweise nicht korrekt erfasst. Für alle Testfälle wird somit deutlich, dass trotz einfachster Geometrien qualitative und quantitative Aussagen bezüglich des Komforts mit den üblichen Methoden nur bedingt möglich sind. Die Evaluierung mehrerer hybrider RANS-LES-Modelle erfolgt im Rahmen der vorliegenden Arbeit auf Basis des k-ω;-SST-Modells. Die vorgestellten Modelle variieren hauptsächlich in der Bestimmung der Schnittstellenposition und in der Berechnung der turbulenten Vis kosität beim Übergang zwischen dem RANS- und dem LES-Bereich. Die beiden zentralen Modelle dieser Arbeit, das DESystar- und das Ystar-Modell, besitzen unterschiedliche An sätze. Das Ystar-Modell löst sowohl für den RANS- als auch für den LES-Bereich eigene Transportgleichungen respektive eine algebraische Gleichung, die nicht direkt miteinander gekoppelt sind. Hingegen erfolgt beim DESystar-Modell der Übergang von der RANS- zur LES-Modellierung durch den Wechsel der Längenskala direkt in der Transportgleichung der turbulenten kinetischen Energie. Die umfangreichen Untersuchungen der Testfälle mit verschiedenen Zeitschrittweiten zeigen, dass die eingeführten Erweiterungen den Rechenaufwand reduzieren können. Es bleibt festzuhalten, dass thermische Komfortbewertungen, die mit herkömmlichen, oftmals stationären Methoden operieren, kritisch hinterfragt werden müssen. Gleiches gilt für eingesetzte automatische Berechnungsverfahren zur Optimierung von Klimakanälen; das Optimierungsergebnis kann nur so gut sein, wie das zugrundeliegende Turbulenzmodell Anisotropien und Ablösegebiete zuverlässig bestimmen vermag. Die Potentiale hybrider Modelle bezüglich eines Einsatzes in der Fahrzeugklimatisierung liegen in der Erfassung von Strömungsstrukturen, die stark durch ein anisotropes und transientes Verhalten geprägt sind. Im Vergleich zur voll aufgelösten LES-Berechnung fällt darüber hinaus der Ressourcenbedarf geringer aus.
Einsatz hybrider RANS-LES-Turbulenzmodelle in der Fahrzeugklimatisierung
2012
143 Seiten, Bilder, Tabellen, 159 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
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