Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3009
Main Title: Quantifizierbarkeit von Unsicherheiten bei der Grenzschichtwiedergabe von RANS-Verfahren
Translated Title: Quantification of Uncertainties in RANS Simulations of Boundary Layer Flows
Author(s): Schmidt, Tobias
Advisor(s): Thiele, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Bereich der industriellen Aerodynamik stellen die Reynolds–gemittelten Navier–Stokes (RANS) Methoden eines der wichtigsten Werkzeuge in der numerischen Simulation dar. Die Hauptgründe hierfür liegen an den akzeptablen Anforderungen, die sie an die Hardware bzgl. Speicher und Rechenleistung stellen. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl von RANS–Modellen entwickelt, welche jedoch alle Stärken und Schwächen aufweisen und für unterschiedliche Strömungsprobleme verschieden gute Eignung zeigen. In der industriellen Anwendung der numerischen Strömungsmechanik (CFD) ist dabei aber der Rechenaufwand der entscheidende Faktor. Oft wird dieser durch die Reduzierung der Gitterpunktanzahl, vor allem im hochaufgelösten Grenzschichtbereich, verringert. Es hat sich gezeigt, dass die Anforderungen an die Dichte und Orthogonalität des wandnahen Gitters zwischen den Modellen verschieden sind und, bezogen auf eine gitterkonvergente Lösung, zu unterschiedlich ausgeprägten Fehlern führen. In dieser Hinsicht beschäftigt sich die Arbeit mit dem Einfluss der wandnahen Gitterauflösung auf die Befähigung der RANS–Verfahren, eine turbulente Grenzschicht korrekt vorherzusagen. Hierbei wird ein empirischer Ansatz verfolgt. Die grundlegende Idee war es, zunächst die Reaktionen der einzelnen Strömungslöser und Turbulenzmodelle auf isolierte Fehlerquellen zu bestimmen. Hierfür wurde die Grenzschichtentwicklung entlang einer ebenen Platte, die Strömungsablösung am Onera-A-Profil und der Verdichtungsstoßes oberhalb des RAE2822-Profils mit großer Variationsbandbreite des wandnahen Gitters berechnet. Repräsentative Werte der Simulationsergebnisse, wie die Vorhersage der Wandreibung, wurden an gegebenen Punkten der Lauflänge verglichen. Die daraus resultierenden Abweichungen zu einem sehr feinen Referenzgitter liefern damit eine Datenbank, aus der das Verhalten der Strömunglöser bezüglich der einzelnen Fehlermechanismen abgeleitet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht eine Parametrisierung dieser Daten eine automatisierte Rückmeldung des Strömungslösers über kritische Netzregionen und deren Fehlerauswirkungen. Hierdurch wird eine Abschätzung des Fehlerbetrages und damit eine Annäherung der Lösung an die eines idealen Gitters ermöglicht, welche anderenfalls mit einer höheren Gitterpunktanzahl und Rechenzeit einhergehen würde. Der Vergleich der verschiedenen Strömungslöser bietet zusätzlich einen Eindruck über die Allgemeingültigkeit des Fehlerverhaltens. Die Simulationsprogramme, die gegenüber gestellt werden, sind TAU des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR), ELAN der Technischen Universität Berlin (TUB), STAR-CCM+ von CD-adapco, Edge der Swedish Defence Research Agency (FOI) und der freie Open-Source-Löser OpenFOAM. Um die Gültigkeit des angewandten empirischen Ansatzes zu bewerten, wurden die Fehlermechanismen zunächst separat untersucht und danach deren Interaktion im Detail betrachtet. Schließlich wurde der entwickelte Fehlerschätzer auf komplexere Testfälle übertragen.
In the field of industrial aerodynamics, statistical Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) methods are one of the most important tools for numerical simulations. The main reasons for this are the acceptable demands they place on computational hardware in terms of RAM and CPU time. In the last decades a great variety of RANS models were developed with different degrees of modelling complexity and each has its respective strengths, weaknesses and suitability to different classes of flow. In the industrial application of computational fluid dynamics (CFD), computational cost is an essential factor. Often this is reduced by decreasing grid points, especially in the highly-resolved boundary layer region. The demands on the density and the orthogonality of the grid near the wall differ between turbulence models and lead to a varying degree of error relative to a grid-converged solution. In this respect the current work is concerned with the effects of the near-wall grid on the ability of RANS models to predict turbulent boundary layer flows. An empirical approach has been adopted to this end. The fundamental idea was to first determine the response of different flow solvers and turbulence models to isolated sources of error. For this purpose, the development of a boundary layer along a flat plate, the flow separation on an Onera-A profile and the shock over the RAE2822 airfoil were computed with several grid variations. Representative values of the simulation results such as the prediction of wall friction were compared at given points of the running length. The resulting deviations from a fine reference grid provide a data base from which the behavior of the flow solvers with respect to the isolated error mechanisms could be derived. Additionally, a parameterization of this data allows an automatic feedback from the flow solver to the user about critical grid regions and the consequences in terms of error. It is possible to estimate the magnitude of the error and to give an approximation of the solution on an ideal grid with a higher number of grid points and computational cost. The comparison of different flow solvers provides in addition an impression of the generality of the error behavior derived. The codes compared were TAU from the German Aerospace Center (DLR), the Technical University Berlin (TUB) in-house solver ELAN, STAR-CCM+ from CD-adapco, the Swedish Defence Research Agency (FOI) solver Edge and the free open source solver OpenFOAM. To assess the validity of the adopted empirical approach, the error mechanisms were first of all examined separately and thereafter the interaction between different errors was investigated. Finally, the error sensors developed were tested for more complex test cases.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-33088
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3306
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3009
Exam Date: 16-Sep-2011
Issue Date: 4-Nov-2011
Date Available: 4-Nov-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aerodynamik
CFD
Grenzschicht
Unsicherheiten
Verifizierung
Aerodynamic
Boundary-layer
CFD
Uncertainty
Verification
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA) » Publications

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