Verbesserung CAD-basierter Methoden zur Steigerung der Rechennetzqualität für numerische Strömungssimulationen

Kurzfassung

Die Strömungssimulation mittels modernster Computerprogramme ermöglicht es ihrem Anwender, hochkomplexe Bauteile auf ihre strömungsmechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der numerischen Modelle und Algorithmen hat ebenso wie die Leistungssteigerung von Computern in den letzten Jahrzehnten dazu beigetragen, dass die Analyse von Strömungen im Gebiet der numerischen Strömungssimulation stets an Bedeutung gewonnen hat. Dennoch besteht ein wesentliches Defizit dieser Netzgenerierungsprogramme noch immer darin, dass diese mehrere Stunden bis Tage für die Rechenzeit beanspruchen. Neben dem verwendeten mathematischen Modell zur Beschreibung der Strömung präsentiert die Qualität des Netzes einen weiteren bedeutenden Einflussfaktor für die Genauigkeit der Strömungssimulation. Je feiner das Netz vom Anwender erstellt wird, desto exakter kann die Strömung letztendlich simuliert werden. So unterliegt die Strömung in der Nähe von konkreten Oberflächen starken Änderungen. Um diese Änderungen aus numerischer Sicht berücksichtigen zu können, ist eine angemessene Verfeinerung des Netzes durch den Anwender erforderlich. Hierzu bedarf es einer grundlegenden Erfahrung des Verwenders, um die globalen und lokalen Verfeinerungssparameter so einzustellen, dass ein Gleichgewicht zwischen der Genauigkeit und der Rechenzeit erfüllt wird. Aus diesen Gründen nimmt die Erzeugung eines Rechennetzes einen besonderen Stellenwert ein und erfordert vom Anwender in der Regel einen entsprechend hohen Arbeitsaufwand. Deshalb sind die Anforderungen an eine Netzgenerierung mit einer minimalen Interaktion, einer kurzen Netzgenerierungszeit und einer hinreichend genauen Strömungssimulation für den Anwender von besonderer Bedeutung. Folglich ist man stets daran interessiert, Lösungen und Möglichkeiten zu einer intelligenteren Automatisierung bei der Netzerstellung zu finden. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Braunschweig hat man zur numerischen Simulation von Flugzeugen ein Schema zur automatischen Einstellung der lokalen Verfeinerungssparameter entwickelt. Als Schnittstelle zwischen dem Programm zur Geometrieerzeugung und dem Programm zur Netzgenerierung dient ein Python-Programmiercode. Dieser Code ist in der Lage, ein CATIA-Modell mit seinen sogenannten Quellen einzulesen, welche für die lokale Einstellung der Verfeinerungssparameter verantwortlich sind. Während dieses Prozesses werden die geometrischen Daten und die bereits berechneten Werte für die Netzfeinheit der Quellen eingelesen. Anschließend werden die gelesen Quellen jeweils als Objekte angelegt und in einer virtuellen Liste gespeichert. In diesen Objekten sind u.a. Attribute hinterlegt, die zur Konfiguration der Quelle und somit auch des lokalen Netzes dienen. Diese Parameter sind deckungsgleich mit jenen, die auch über die Netzgenerierungssoftware CENTAUR (wie in Referenz [1] beschrieben) manuell eingestellt oder verändert werden können. Des Weiteren besteht Zugriff auf Funktionen, die physikalische Werte für die Standardatmosphäre berechnen, welche für die anschließende Berechnung von aerodynamischen Kennzahlen wie beispielsweise die Reynolds-Zahl, die maximale Grenzschichtdicke, die Wandschubspannung oder den Reibungsbeiwert benötigt werden. Diese Kennzahlen dienen als Grundlage zur Berechnung der Parameter für die Konfiguration der Quellen bzw. der Prismenschicht. Am Ende dieses Prozesses wird eine sogenannte source-Datei geschrieben. Dieses Dateiformat kann von CENTAUR gelesen werden und erzeugt die Quellen mit ihrer hinterlegten Konfiguration. Im Rahmen dieser Arbeit soll das gegebene Python Modul weiterentwickelt werden. Hierzu soll der Code die Fähigkeiten erhalten, anhand der lokalen geometrischen und der physikalischen Gegebenheiten eine daran angepasste Konfiguration der Quellen zu verwirklichen. Am Ende soll der Anwender für alle Quellen eine angepasste Konfiguration verwenden können. Der Code soll so verfasst werden, dass dieser sich auf eine möglichst große Vielzahl von verschiedenen Flugzeuggeometrien anwenden lässt.