Numerische Untersuchungen zu Eckenströmungen durch turbulenzauflösende Simulationen mit Reynolds-Spannungs-Modellierung

Kurzfassung

In vielen aerodynamischen Anwendungsfällen treten Eckgeometrien auf, die aufgrund starker Sekundärströmungen eine besondere Herausforderung für numerische Simulationsmethoden darstellen. Ziel dieser Arbeit ist die Validierung der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelten Improved Delayed Detached-Eddy Simulation, die mit einer Reynolds-Stress-Modellierung verknüpft wurde (RSM-IDDES), an einer solchen Eckströmung. Außerdem wird die Anwendbarkeit von Wandfunktionen in Verbindung mit Reynolds-Spannungs-Modellen (RSM) untersucht. Hierzu wurde eine Wandfunktion aus der Literatur implementiert, die den Druckgradienten berücksichtigt. Für die Untersuchungen wurden zwei Geometrien betrachtet: eine quadratische Rohrströmung sowie ein rechteckiger, asymmetrischer Diffusor. Zum Einsatz kamen sowohl Simulationen mit Reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) als auch wandmodellierten Large-Eddy-Simulationen (WMLES), welche das SSG/LRR-ln(w)-Turbulenzmodell verwenden. Die eingesetzte WMLES ist dabei ein Zweig der neu entwickelten RSM-IDDES-Methode. Es wurden Simulationen sowohl mit als auch ohne Verwendung von Wandfunktionen durchgeführt. Die Ergebnisse werden untereinander sowie mit Literaturdaten verglichen. Der WMLES-Zweig der IDDES-Methode zeigte in der Untersuchung insgesamt eine gute Übereinstimmung mit den Literaturdaten und ist somit für subsonische Strömungen in Eckgeometrien als valide zu betrachten. In den RANS-Ergebnissen konnten bei Verwendung von Wandfunktionen, sowohl mit als auch ohne Berücksichtigung des Druckgradienten, eine hohe Übereinstimmung mit den Referenzdaten beobachtet werden. Im Fall des Diffusors zeigte die Erweiterung der Wandfunktion um den Druckgradienten keine eindeutige Verbesserung. Im Einflussrohr des Diffusors konnte bei der entwickelnden Strömung leichte Verbesserungen erkannt werden. Für eine abschließende Bewertung sind jedoch weiterführende Untersuchungen erforderlich. Die Verwendung von Wandfunktionen führte in den WMLES-Simulationen zu numerischen Artefakten, die sich jedoch nur in sensitiven Strömungsgrößen beobachten ließen. Abgesehen von diesen Artefakten lieferten auch die WMLES-Ergebnisse mit Wandfunktionen insgesamt plausible Resultate.