Erweiterung des Thin-Layer-Navier-Stokes-Verfahrens FLOWer auf die vollständigen Navier-Stokes-Gleichungen

Abstract

Das Thin-Layer-Navier-Stokes-Verfahren FLOWer wurde auf die vollständigen Navier-Stokes Gleichungen erweitert. Die in dem Strömungslöser FLOWer realisierte Thin-Layer-Approximation zeichnet sich durch eine vereinfachte, unvollständige Diskretisierung der viskosen Terme der Reynoldsgemittelten Navier-Stokes Gleichungen aus. Folglich beschränken sich die im Rahmen dieser Arbeit notwendigen Erweiterungen darauf, eine vollständige Modellierung dieser viskosen Terme herbeizuführen. Ausgehend von einer detaillierten Darstellung der Diskretisierungsmethode nach Thin-Layer werden zwei verschiedene Diskretisierungsvorschläge entwickelt, die die viskosen Navier-Stokes-Terme vollständig beschreiben. Die Gründe, die letztendlich dazu führen eines der beiden Verfahren zu favorisieren, sind ausführlich dokumentiert. Die durchgeführten Erweiterungen sind validiert und werden zu der existenten Thin-Layer-Approximation ergänzend in die Version 115 von FLOWer übernommen. Anhand der Ergebnisse der Umströmung von verschiedenen Konfigurationen wird dieser Arbeit zugrunde liegende erweiterte Verfahren mit der Thin-Layer-Approximation verglichen. Die Unterschiede, die sich bei dem Vergleich beider Diskretisierungsmethoden zeigen, werden nach drei Kriterien bewertet. Die Kriterien hierfür sind die Qualität der Schreibung physikalischer Strömungsvorgänge bezüglich experimenteller Meßergebnisse, das Konvergenzverhalten der Berechnung selbst. Sowie der Rechenzeitbedarf. Verglichen werden die Ergebnisse von Berechnungen für zwei- und dreidimensionale Strömungen sowohl im subsonischen als auch im transsonischen Geschwindigkeitsbereich. Um den Einfluß der vollständigen Berücksichtigung der viskosen Navier-Stokes-Terme systematisch zu untersuchen, werden Konfigurationen betrachtet, deren Umströmung im hohem Maß durch viskose Effekte geprägt sind. Dies sind die zweidimensionalen Umströmungen der Profile ONERA-A, RAE2282, FFA-W3 und des 3-Elemente-Profils TA 15 Common Exercise 3 in der Starkonfiguration sowie die Dreidimensionalen Umströmungen um den Tragflügel ONERA M6 und um den Deltatragflügel der Internationalen Konfiguration. Die Abhängigkeit der beiden Diskretisierungsverfahren von der Netztopologie wird anhand der Umströmung des Profils RAE2282 systematisch untersucht.