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Development of a numerical flow channel with the Lattice Boltzmann method and application to highly swept wings at high angles of attack
Benad, Justus
In this work, a numerical flow channel is developed with the Lattice Boltzmann method and applied to study various swept wing geometries. At first, the Lattice Boltzmann method is discussed in the light of other numerical tools, and in the light of current development trends of microprocessors. It is concluded that numerical tools which consist of simple parallel operations in the spatial domain like the Lattice Boltzmann method are likely to benefit strongly from current development trends of microprocessors in the future. It is then decided to use the Lattice Boltzmann method for the creation of the numerical flow channel. The setup of this numerical experiment is explained in rich detail with a particular focus on the numerical details which influence the maximum Reynolds number which can be achieved. Finally, three exemplary studies are conducted with the developed setup. First, a finite unswept wing is investigated at various angles of attack. After this, the influence of sweep of a low aspect ratio wing at high angles of attack is investigated. In the third study, a high resolution simulation of an exemplary Flying V geometry is conducted in order to obtain a first impression of the flow field behind the configuration at high angles of attack. The results of this study are obtained at a Reynolds number of Re = 4.6 ∙ 10^3 and an angle of attack of alpha = 30°. Findings include the observation of instabilities in the boundary layer which form at the round highly swept leading edge and move inward towards the rear kink, the discovery of two characteristic free shear layers on the upper surface of the design, the observation of strong interactions of the main flow and the two shear layers close to the rear kink, and the discovery of turbulent coherent structures in the vorticity field after a strong initial gust.
In der vorliegenden Arbeit wird ein numerischer Strömungskanal mit der Gitter-Boltzmann-Methode entwickelt und zur Untersuchung verschiedener stark gepfeilter Flügelgeometrien bei hohen Anstellwinkeln genutzt. Zu Beginn der Arbeit wird die Gitter-Boltzmann-Methode zusammen mit anderen numerischen Methoden diskutiert und im Hinblick auf derzeitige Trends bei der Entwicklung von Mikroprozessoren eingeschätzt. Es wird betont, dass numerische Techniken wie die Gitter-Boltzmann-Methode, welche auf einfachen parallelisierbaren Operation im Raum zurückgreifen, von den derzeitigen Entwicklung von Mikroprozessoren profitieren werden. Anschließend wird der Aufbau des numerischen Experiments mit der Gitter-Boltzmann-Methode beschrieben. Ein besonderer Fokus dabei liegt auf den numerischen Details welche die maximale Reynoldszahl beeinflussen, die simuliert werden kann. Drei exemplarische Studien werden mit dem entwickelten Aufbau durchgeführt: Als erstes wird ein endlicher ungepfeilter Flügel bei verschiedenen Anstellwinkeln untersucht. Danach wird der Einfluss von Pfeilung auf einen Flügel mit geringem Seitenverhältnis bei hohen Anstellwinkeln untersucht. In einer dritten Studie wird eine hochaufgelöste Simulation an einer exemplarischen Flying V Geometrie durchgeführt um einen ersten Eindruck des Strömungsfeldes hinter der Konfiguration bei hohen Anstellwinkeln zu erlangen. Dieser Studie wird bei einer Reynoldszahl von Re = 4.6 ∙ 10^3 und einem Anstellwinkel von alpha = 30° durchgeführt. Resultate dabei sind unter anderem die Beobachtung von Instabilitäten in der Grenzschicht welche an der runden stark gepfeilten Vorderkante der Geometrie entstehen und sich nach innen hin zur Hinterkante des Flügels weiterbewegen, die Entdeckung von zwei charakteristischen freien Scherschichten auf der Oberseite des Flügels, die Beobachtung starker Interaktionen der Grundströmung und der zwei Scherschichten nahe der Flügelhinterkante, und die Entdeckung charakteristischer kohärenter Strukturen im Feld der Wirbelstärke nach einer starken Böe.
