Numerische Simulation von Wirbelaufrollvorgängen an Tragflügeln

• Numerical simulation of vortex roll-up processes at wings

Braun, Sebastian; Stumpf, Eike (Thesis advisor); Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen (2016, 2017)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Kurzfassung

Das Aufrollen eines Wirbels an den Enden eines Tragflügels ist die Folge der Druckunterschiede zwischen Ober- und Unterseite und somit eine direkte Konsequenz des erzeugten Auftriebs. Durch die Druckunterschiede kommt es zu einer Umströmung der Seitenkante des Flügels von der Unterseite hin zur Oberseite, wobei die Strömung der Kontur der Seitenkante nicht folgen kann und sich zu einem Nachlaufwirbel aufrollt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der detaillierten Simulation solcher hochgradig dreidimensional ablaufender Wirbelaufrollvorgänge auf Basis der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen. Da insbesondere die numerische Dissipation die Simulationsergebnisse wesentlich beeinflusst, werden zu Beginn Studien zum Einfluss der Netzauflösung sowie der Genauigkeit der verwendeten Verfahren durchgeführt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden anschließend verschiedene Turbulenzmodelle für diesen Anwendungsfall validiert. Hierbei werden mit dem Spalart-Allmaras-Modell und dem Menter-SST-Modell zunächst zwei Turbulenzmodelle untersucht, die den Standard für industrielle Anwendungsfälle darstellen. Ebenfalls untersucht wird, wie weit sich die Genauigkeit der beiden Modelle durch die Verwendung einer Rotationskorrektur steigern lässt. Neben diesen beiden Standardmodellen wird zusätzlich die Eignung eines algebraischen Reynolds-Spannungsmodells für die Simulation des Wirbelaufrollvorgangs untersucht. Das besondere Augenmerk dieser Arbeit liegt auf der Anwendbarkeit eines differentiellen Reynolds-Spannungsmodells zur Wirbelsimulation. Insbesondere der Umstand, dass das verwendete SSG/LRR-w-Modell die Anisotropien der Reynolds-Spannungen im Wirbel genauer erfassen kann und zudem der turbulente Produktionsterm exakt gelöst wird, führt zu einer Verbesserung der Simulationsergebnisse im Vergleich zu Wirbelviskositätsmodellen. Jedoch ergeben sich auch beim Reynolds-Spannungsmodell systematische Abweichungen zu experimentellen Daten aus der Literatur. Daher werden zusätzlich experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die mittels hochauflösender PIV-Messungen detailliertere Informationen über die Geschwindigkeitsverteilung im Wirbel während des Aufrollvorgangs und qualitative Daten zu den auftretenden Reynolds-Spannungen liefern. Anhand der Daten dieser Messungen kann an einem Flügel mit abgerundeter Seitenkante eine großskalige turbulente Bewegung des Wirbelkerns detektiert werden, die einen Anstieg der Reynolds-Spannungen im Wirbelzentrum zur Folge hat. Bei einem Flügel mit scharfen Seitenkanten kommt es bereits unmittelbar an der Tragflügelspitze zu einem vorzeitigen Zerfall des Sekundärwirbels. Diese beiden Effekte lassen sich mit den hier verwendeten Turbulenzmodellen nicht mehr im Detail simulieren, zeigen aber mögliche Ansatzpunkte für Verbesserungen der Modelle auf.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) [415310]