CFD-11. Externe Aerodynamik. Strömung mit Übergang.

In diesem Beitrag über Computational Fluid Dynamics (CFD) befassen wir uns mit einem Beispiel für externe Aerodynamik, bei dem es darauf ankommt, die Effekte des Regimeübergangs gut zu erfassen. Dieser Fall erfordert eine spezielle Turbulenzmodellierung, da bei den meisten CFD-Simulationen davon ausgegangen werden kann, dass die Strömung zu jeder Zeit nur laminar oder turbulent ist.

Das Modell wird aus einem nahezu zweidimensionalen Bereich mit den üblichen Symmetriebedingungen bestehen. Wir werden Hypermesh und Hyperworks CFD verwenden, um das Modell vorzubereiten und die Berechnung mit Acusolve durchzuführen. Die Geometrie des Bereichs und seine Vernetzung sind in der folgenden Abbildung zu sehen.

Gitter des Luftbereichs, in dem das Flügelprofil mittels CFD untersucht wird

Vorbereitung des CFD-Modells

Die Randbedingungen des Modells sind die im Bild gezeigten, ähnlich denen der vorherigen Fallstudie eines Tragflügels, aber angepasst an die verschiedenen Betriebsbedingungen, die wir simulieren wollen.

Randbedingungen für die Untersuchung der Aerodynamik von Tragflächen mittels CFD-Simulation

Wählen Sie auf der Registerkarte Physik die Strömungsanalyse “Mild kompressibel” und das SST-Turbulenzmodell. Wir werden drei Simulationen testen, eine mit dem Modell ohne Übergangseffekte, eine mit dem Gamma-Übergangsmodell und eine mit dem Gamma-Re-Theta-Modell.

Diese Modelle führen eine zusätzliche Variable ein, die als Intermittenz bezeichnet wird und einen Durchschnittswert für den Anteil der Zeit angibt, in der die Strömung ein turbulentes Verhalten zeigt. In Bereichen mit einer Intermittenz von Null ist die Strömung völlig laminar, und wo die Intermittenz 1 beträgt, ist die Strömung turbulent.

Eine genauere Erläuterung dieser Variable sowie detaillierte Schritte zur Simulation des Falles finden Sie in der Anleitung, die im Bereich Downloads verfügbar ist.

CFD-Simulation und Ergebnisse

Die folgenden Bilder zeigen die Druckergebnisse für die drei simulierten Fälle. Oben das vollturbulente SST-Modell ohne Übergangseffekte, in der Mitte mit dem Gamma-Übergangsmodell und unten mit Gamma-Re-Theta.

Druckprofile in einem Profil, die durch CFD-Simulationen mit verschiedenen Regimeübergangsmodellen ermittelt wurden.

Die Zeichnung der Geschwindigkeits- und Machzahlprofile zeigt, dass die Strömung weit vom Überschall entfernt ist. Daher ist die Hypothese der kompressiblen Unterschallströmung gültig.

Diese Ergebnisse zeigen geringfügige Unterschiede zwischen den Übergangsmodellen, aber signifikant in Bezug auf den vollturbulenten Fall, insbesondere im oberen Teil des Profils. Zieht man die Unterbrechung im Fall des Gamma-Modells heran, so stellt man fest, dass die Übergangseffekte im gesamten Nachstrom grundlegend sind.

Intermittenz-Ergebnisse des CFD-Modells.

Analyse der Ergebnisse. Typische Koeffizienten in der Aerodynamik.

Vergleicht man die in den drei simulierten Fällen erhaltenen Druckkoeffizienten, so ergeben die Übergangsmodelle sehr ähnliche Ergebnisse. Das turbulente SST-Modell unterscheidet sich von den anderen vor allem in der Ablösungszone.

Druckkoeffizientenkurve aus der Simulation eines Tragflügels.

Aus dieser Studie geht hervor, dass Übergangsmodelle ein wichtiges Instrument sind, das bei Simulationen mit sehr unterschiedlichen Turbulenzskalen, wie in diesem Fall der freien Strömung und der Nachlaufströmung des Profils, berücksichtigt werden muss.

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