RANS-Turbulenzmodellierung für subsonische druckinduzierte Strömungsablösung

Kurzfassung

Für die Realisierung der Vision eines Virtuellen Flugzeugs müssen die Flugeigenschaften auch an den Grenzen des Flugbereichs mit CFD-Verfahren hochgenau und effizient vorhergesagt werden können. Für die Vorhersage der dort auftretenden Strömungsphänomene ist die physikalische Modellierung der Turbulenz von großer Bedeutung. Im Hochauftrieb wird die Grenze des Flugbereichs durch das Auftreten und die Ausbreitung von Strömungsablösung der turbulenten Grenzschichten auf dem Hauptflügel und der Klappe bei positiven Druckgradienten bestimmt. Die Ablösung kann durch eine zusätzliche Wechselwirkung der Grenzschichten mit Strömungsstrukturen (z.B. Längswirbel, Nachläufe) stromauf liegender Bauteile signifikant beeinflusst werden. Momentan kommen für numerische Simulationen von Flugzeugen in Hochauftriebskonfiguration bei Flug-Reynoldszahlen lediglich RANS-Turbulenzmodelle in Frage, da die Kosten für skalenauflösende Verfahren der Turbulenz (wie z.B. hybride RANS/LES-Methoden) derzeit viel zu hoch sind. Die bisher vorhandenen RANS-Modelle erreichen im Bereich des Maximalauftriebs allerdings nicht die erforderlichen Genauigkeitsmargen. Daraus leitet sich die Aufgabenstellung der Verbesserung von RANS-Modellen für subsonische Ablösung. Für die Modellierung wird hier nur der Fall von isolierten Grenzschichten ohne Wechselwirkung mit Strömungsstrukturen wie Längswirbeln oder Nachläufen betrachtet. Der Fokus liegt auf differentiellen Reynoldsspannungsmodellen (RSM) für die RANS Turbulenzmodellierung basierend auf dem sogenannten SSG/LRR-omega Modell. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Datenbasis aus hochgenauen experimentellen Daten aufgebaut. Daraus werden physikalische Gesetzmäßigkeiten, sogenannte Wandgesetze, für die mittleren Geschwindigkeitsprofile und für die mittleren turbulenten Schwankungsbewegungen (die sog. Reynoldsspannungen) formuliert. Dann werden die Wandgesetze in RANS-Modellverbesserungen überführt. Das Fehlen von hierfür geeigneten, verfügbaren Daten verhindert bislang jedoch Fortschritte in der Modellierung. Die benötigten Messdaten wurden daher im DLR-Projekt VicToria in einem eigens entworfenen Windkanalexperiment erzeugt, das hochwertige, weltweit einmalige Daten liefert. In diesem Beitrag werden zunächst die wissenschaftlichen Fragestellungen und die daraus resultierende Auslegung des VicToria-Experiments dargestellt. Danach stellen wir die eingesetzten Messtechniken und die etablierten Verfahrensverbesserungen für die Lagrangian Particle Tracking (LPT) Messtechnik vor, sowie die Wandschubspannungsmessung. Daran anschließend beschreiben wir die Ergebnisse der Messungen für die mittleren Geschwindigkeitsprofile. Es wird ein neues Wandgesetz vorgestellt, das aus einem dünnen logarithmischen Gesetz und einem darüber liegenden sogenannten half-power-law Bereich besteht. In diesem letztgenanntem Bereich wächst die Geschwindigkeit proportional zur Wurzel des Wandabstandes an und dieser wird bis in die Ablösung hinein formuliert. Dieses Wandgesetz wird dann im RANS-Modell berücksichtigt. Die Modifikation erhöht die Dissipation von Turbulenz im wandnahen Bereich, wodurch der turbulente Transport in Wandnähe reduziert wird. Dadurch tritt Strömungsablösung weiter stromauf als beim Basismodell auf. Abschließend werden die verbesserten RANS-Modelle auf Grenzschichtströmungen mit Druckgradient sowie auf aerodynamische Konfigurationen mit zunehmender Komplexität angewendet und durch den Vergleich mit experimentellen Daten validiert und bewertet.