Skalenauflösende LES-/DES-Strömungssimulation für aeroelastische Fragestellungen

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird ein aeroelastischer Testfall für skalenauflösende numerische Strömungssimulation untersucht. Dazu werden mehrere zweidimensionale Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANS) und dreidimensionale Delayed-Detached-Eddy Simulationen (DDES) mit dem Profil NACA0021 bei hohen Anstellwinkeln (AoA) von 60°, 70° und 90° bei Mach 0.1 und einer Reynoldszahl von 270000 durchgeführt, um wirbelinduzierte Schwingungen zu untersuchen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Unterschied zwischen RANS- und skalenauflösenden Methoden und der Analyse der Turbulenz in der Nachlaufströmung hinter dem Tragflügel. Als Grundlage wird ein Starrkörper-Testfall aus der Literatur verwendet. Die Strömung hinter dem NACA0021 zeigt für diesen Starrkörperfall ein starkes Wirbelsystem im Nachlauf mit einer dominanten Frequenz. Auf dieser Basis werden Fluid-Struktur gekoppelte (FSI) Simulationen und Simulationen mit aufgeprägten Schwingungen durchgeführt. Bei 70° und 90° Anstellwinkel zeigen die Simulationen ein starkes Lock-in Verhalten mit einem großen Einfluss auf die turbulente kinetische Energie in der aufgelösten Nachlaufturbulenz. Ohne Lock-in ist diese Energie etwa zehnmal höher als mit Lock-in. Die Korrelation der x-Geschwindigkeit in der turbulenten Nachlaufströmung über die Spannweite wird ebenfalls untersucht. Außerhalb der Lock-in-Region gibt es keinen Einfluss der Bewegung auf die Spannweitenkorrelation. Innerhalb der Lock-in-Region nimmt die Korrelation in Spannweitenrichtung deutlich zu. Im Vergleich zur RANS-Simulation ist der Frequenzbereich des Lock-ins bei DES etwas kleiner. Die maximale Amplitude der wirbelinduzierten Schwingungen ist bei beiden Simulationen nahezu identisch. In Bezug auf die integralen Kräfte gibt es im starren Fall einen großen Unterschied zwischen RANS und DES. Wenn das Profil in Bewegung gesetzt wird, nimmt dieser Unterschied deutlich ab. Bei einem Anstellwinkel von 90° sind im Strömungsfeld hinter dem NACA0021 zwei verschiedene aerodynamische Moden erkennbar. Beide Simulationsmethoden zeigen dies. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es bei einem Vergleich der integralen Kräfte und der grundlegenden Eigenschaften des Strömungsfeldes an einem schwingenden Profil im Lock-in keinen großen Unterschied zwischen RANS und DES gibt. Allerdings kann die turbulente kinetische Energie im Nachlauf nur mit der DES-Rechnung simuliert werden. Abschließend werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick auf weitere Fragestellungen gegeben.