Improved Robustness for Numerical Simulation of Turbulent Flows around Civil Aircraft at Flight Reynolds Numbers

Abstract

Zielsetzung dieser Arbeit ist die Bereitstellung numerischer Verfahren, die eine robuste und effiziente Simulation turbulenter Strömungen für zivile Transportflugzeugskonfigurationen bei Flug-Reynolds-Zahlen ermöglichen. Diese Arbeit zeichnet sich dadurch aus, dass sie für die systematische Untersuchung der numerischen Behandlung von Turbulenzgleichungen den Einsatz von Simulationsrechnungen und theoretischen Ansätzen kombiniert. Robustheitsprobleme, welche die Konvergenz von Simulationen bei hohen und bei Flug-Reynolds-Zahlen verhindern, konnten auf die Anwendung eines Mehrgitter-Verfahrens auf Transportgleichungsturbulenzmodelle zurückgeführt werden. Daher ist das Mehrgitter-Verfahren für die Turbulenzgleichungen abgeschaltet worden, während sein Einsatz für die RANS-Gleichungen nicht verändert wurde. Desweiteren ist ein voll implizites Zeitintegrationsverfahren - ein DDADI Ansatz - auf die Turbulenzgleichungen angewendet worden. Die Herleitung dieses Ansatzes basiert auf einer systematischen Untersuchung der numerischen Behandlung von Turbulenzgleichungen. Hierfür wurden zweidimensionale Simulationsrechnungen und Fourier-Analysen durchgeführt. Die Studie hat deutlich einen destabilisierenden Effekt produktiver (Turbulenz-)Quellterme gezeigt, der im Rahmen von Mehrgitter-Verfahren verstärkt wird. Abschließend wurden sowohl der originale FLOWer-Code als auch die verbesserte Variante auf zwei- und dreidimensionale industriell relevante Testfälle angewendet und die Ergebnisse verglichen. Der neue Ansatz liefert eine deutliche Steigerung der Robustheit, aufgrund derer viskose Simulationsrechnungen bei Flug-Reynolds-Zahlen konvergieren. Darüber hinaus ist die Konvergenz der aerodynamischen Koeffizienten für dreidimensionale Anwendungen deutlich beschleunigt worden.