Kompressible Strömungen - Grenzen der Anwendbarkeit von Wirbelviskositätsmodellen bei Über- und Hyperschallströmungen

Abstract

Turbulente Strömungen sind im technischen Umfeld allgegenwärtig, aber aufgrund ihrer Komplexität in den meisten realen Anwendungsszenarien weder durch analytische Modelle noch durch numerische Simulationsverfahren exakt vorhersagbar. Wirbelviskositätsansätze, in denen die makroskopischen Effekte der Turbulenz durch eine scheinbare Viskosität abgebildet werden, bilden gegenwärtig das Rückgrat der Turbulenzmodellierung in technischen Simulationsverfahren. Prandtls Mischungsweghypothese markiert einen wesentlichen Meilenstein in der systematischen Entwicklung dieser Modelle, die bis heute andauert und zu guten Vorhersagen insbesondere für inkompressible und isotherme Strömungen geführt hat. Bei der Behandlung kompressibler Fluide, insbesondere in der Hyperschallaerodynamik, bestehen jedoch weiterhin erhebliche Defizite in der Modellbildung. Das betrifft turbulente Scherschichten, zum Beispiel in Abgasstrahlen, die Wechselwirkung von Turbulenz und Verdichtungsstößen, bei Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen, oder die Vorhersage des turbulenten Wärmetransports an stark gekühlten Wänden. Im Ergebnis existieren immer noch signifikante Unsicherheiten in der Vorhersage von Wärmelasten, Mischungsphänomenen oder Strömungsablösung für kompressible Anwendungen. Der Aufsatz fasst einige wesentliche Herausforderungen bei der Modellierung von kompressibler Turbulenz zusammen.