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Untersuchung zum Potential höherwertiger Turbulenzmodelle für den aerodynamischen Entwurf
Franke, Martin
Die Anforderungen an die Genauigkeit numerischer Strömungssimulationsverfahren im Flugzeugentwurf haben in den vergangenen Jahren signifikant zugenommen. Hierbei werden industrieseitig Verfahren gefordert, die in der Lage sind, dreidimensionale, reibungsbehaftete, turbulente Strömungen um aerodynamische Konfigurationen mit garantierter, d.h. zuverlässig einschätzbarer Genauigkeit zu berechnen. Hieraus ergibt sich zwangsläufig die Notwendigkeit einer angemessenen Darstellung turbulenter Effekte, die sich nicht auf anliegende Grenzschichten beschränkt, sondern auch in der Lage ist, Phänomene wie druckinduzierte Ablösung oder Stoß-Grenzschicht-Interaktion korrekt vorherzusagen. Um zu einer verbesserten Turbulenzdarstellung zu gelangen, sind im letzten Jahrzehnt Modelle entwickelt worden, die sich gegenüber den üblicherweise verwendeten Standardmodellen durch einen erweiterten Gültigkeitsbereich und mithin verbesserte Vorhersageeigenschaften auszeichnen. Hierbei sind insbesondere Ansätze von Interesse, die diese Aufgabe ohne schwerwiegende Defizite hinsichtlich Effizienz und Robustheit erfüllen. Aus diesem Grund empfehlen sich Modelle, die zwar weiterhin auf der linearen Boussinesq-Annahme beruhen, aber durch eine Parametrisierung der Koeffizienten der Stress-Strain-Beziehung und/oder der Transportgleichungen zu einer den Standardansätzen überlegenen Repräsentation turbulenter Effekte gelangen. In dieser Arbeit werden verschiedene höherwertige lineare Transportgleichungs-Turbulenzmodelle hinsichtlich ihrer Vorhersagefähigkeit in aerodynamischen Strömungen mit dem Ziel untersucht, diese Ansätze der aerodynamischen Anwendung zuzuführen sowie ihre Eignung für Problemstellungen zu evaluieren, die für den heutigen Flugzeugentwurf von Bedeutung sind. Zu diesem Zweck wurden sechs verschiedene Ein- und Zweigleichungsmodelle in einen bekannten aerodynamischen Strömungslöser implementiert. Nach einer eingehenden Validierung an Profilumströmungen werden dreidimensionale Fälle sowohl im Hochauftriebsbereich als auch im Reiseflug betrachtet, um zu Aussagen zu gelangen, inwiefern sich vorteilhafte Modellierungseigenschaften aus dem Zweidimensionalen erhalten. Die Effizienz der Ansätze wird anhand dieser Fälle ebenfalls quantifiziert. Aktuelle technische Anwendungsfälle runden das Bild ab. Die Untersuchungen zeigen, daß die Vorteile höherwertiger Turbulenzmodelle auch im Dreidimensionalen vorhanden sind, da sich die prinzipiellen Modelleigenschaften auch an komplexen Konfigurationen bewähren. Dies gilt sowohl für den Hochauftriebs- als auch für den Reiseflugbereich, allerdings sind quantitative Vorhersagen deutlich schwerer zu treffen als bei Profilumströmungen. Der Mehraufwand an Rechenzeit bleibt begrenzt, so daß ein Einsatz dieser höherwertigen Ansätze in der Praxis vorteilhaft ist. Es werden Empfehlungen für die geeignete Modellauswahl gegeben und noch offene Problemkreise angerissen.
