Im Rahmen dieser Arbeit wurden Grobstruktursimulationen einer turbulenten Ablöseblase auf einer ebenen Platte sowie der Strömung über ein hochangestelltes Tragflügelprofil durchgeführt. Das eingesetzte numerische Verfahren beruht auf einer Finite-Volumen-Formulierung mit versetzter Variablenanordnung der dreidimensionalen Navier-Stokes-Gleichungen für inkompressible Strömungen. Das verwendete kartesische Gitter erlaubt eine effiziente Lösung des entstehenden Gleichungssystems auf Hochleistungsrechnern. Dadurch war es möglich, Simulationen bei sehr hohen Reynoldszahlen durchzuführen, die einem Vergleich mit experimentellen Daten zugänglich waren. Um die Strömung über beliebig geformte Oberflächen auf kartesischen Gittern berechnen zu können, wurde eine Methode verwendet, bei der die Zellen, die im Innern des Körpers liegen, geblockt werden. Um die Haft- und Undurchlässigkeitsbedingung an der Körperoberfläche zu erfüllen, wurde eine Interpolationsmethode angewandt, die die Geschwindigkeitsgrößen der durch die Körperoberfläche geschnittenen Zellen setzt. Die Konfiguration der turbulenten Ablöseblase orientierte sich an einem Experiment von Kalter und Fernholz (1994). Es hat sich gezeigt, dass mit für Grobstruktursimulationen typischen Gitterauflösungen keine Ablösung des mittleren Strömungsfeldes erreicht werden konnte. Die Gitterauflösung scheint allerdings gegenüber dem eingesetzten Feinstrukturmodell oder dem räumlichen Diskretisierungsverfahren den größten Einfluß auf das Simulationsergebnis zu haben. Mit zunehmender Gitterauflösung nähert sich die Lösung monoton dem Ergebnis der zum Vergleich herangezogenen DNS von Manhart und Friedrich (2002) sowie des Experiments von Kalter und Fernholz an. Die zweite simulierte Strömungskonfiguration entsprach dem Prinzipexperiment COSTWING der DLR Göttingen. Bei diesem Experiment wurde ein NACA 4415 Tragflügelprofil bei einem Anstellwinkel von 18 Grad und einer Reynoldszahl von Re = 105, gebildet mit der Viskosität, der Sehnenlänge und der freien Anströmgeschwindigkeit, untersucht. Um für eine numerische Untersuchung dieser Konfiguration das Berechnungsgebiet zu begrenzen und wohldefinierte Randbedingungen zu schaffen, wurde das Tragflügelprofil zwischen zwei horizontalen Platten angeordnet. Die Analyse des momentanen Strömungsfeldes konnte die Ergebnisse des Experiments weitestgehend reproduzieren. Abschließend läßt sich sagen, dass sich die Grobstruktursimulation der Tragflügelumströmung bei einer realitätsnahen Reynoldszahl als durchführbar herausgestellt hat. Durch das eingesetzte Feinstrukturmodell kam die Simulation strikt ohne die Verwendung von a-priori Wissen über die Strömung aus. Die Ergebnisse liegen nahe an den experimentellen Resultaten, gehen aber in ihrer Detailliertheit deutlich über diese hinaus. Die Grobstruktursimulation kann somit einmal zur Absicherung der Ergebnisse konkurrierender statistischer Berechnungsverfahren als auch zum Erkenntnisgewinn über die der Strömung zu Grunde liegende Physik eingesetzt werden.
Grobstruktursimulation druckinduzierter Ablösungen
Strömungsmechanik ; 5 ; 1-152
2007
152 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
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