Numerische Simulation von Wirbelaufrollvorgängen an Tragflügeln

Braun, Sebastian; Schröder, Wolfgang; Stumpf, Eike

doi:10.18154/RWTH-2016-11678

Numerische Simulation von Wirbelaufrollvorgängen an Tragflügeln = Numerical simulation of vortex roll-up processes at wings

Braun, Sebastian

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Braun

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XIV, 138 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stumpf, Eike (Thesis advisor) ; Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-116788
DOI: 10.18154/RWTH-2016-11678
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680219/files/680219.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680219/files/680219.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) (415310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wirbel (frei) ; Simulation (frei) ; CFD (frei) ; Reynolds-Spannungsmodell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Aufrollen eines Wirbels an den Enden eines Tragflügels ist die Folge der Druckunterschiede zwischen Ober- und Unterseite und somit eine direkte Konsequenz des erzeugten Auftriebs. Durch die Druckunterschiede kommt es zu einer Umströmung der Seitenkante des Flügels von der Unterseite hin zur Oberseite, wobei die Strömung der Kontur der Seitenkante nicht folgen kann und sich zu einem Nachlaufwirbel aufrollt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der detaillierten Simulation solcher hochgradig dreidimensional ablaufender Wirbelaufrollvorgänge auf Basis der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen. Da insbesondere die numerische Dissipation die Simulationsergebnisse wesentlich beeinflusst, werden zu Beginn Studien zum Einfluss der Netzauflösung sowie der Genauigkeit der verwendeten Verfahren durchgeführt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden anschließend verschiedene Turbulenzmodelle für diesen Anwendungsfall validiert. Hierbei werden mit dem Spalart-Allmaras-Modell und dem Menter-SST-Modell zunächst zwei Turbulenzmodelle untersucht, die den Standard für industrielle Anwendungsfälle darstellen. Ebenfalls untersucht wird, wie weit sich die Genauigkeit der beiden Modelle durch die Verwendung einer Rotationskorrektur steigern lässt. Neben diesen beiden Standardmodellen wird zusätzlich die Eignung eines algebraischen Reynolds-Spannungsmodells für die Simulation des Wirbelaufrollvorgangs untersucht. Das besondere Augenmerk dieser Arbeit liegt auf der Anwendbarkeit eines differentiellen Reynolds-Spannungsmodells zur Wirbelsimulation. Insbesondere der Umstand, dass das verwendete SSG/LRR-w-Modell die Anisotropien der Reynolds-Spannungen im Wirbel genauer erfassen kann und zudem der turbulente Produktionsterm exakt gelöst wird, führt zu einer Verbesserung der Simulationsergebnisse im Vergleich zu Wirbelviskositätsmodellen. Jedoch ergeben sich auch beim Reynolds-Spannungsmodell systematische Abweichungen zu experimentellen Daten aus der Literatur. Daher werden zusätzlich experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die mittels hochauflösender PIV-Messungen detailliertere Informationen über die Geschwindigkeitsverteilung im Wirbel während des Aufrollvorgangs und qualitative Daten zu den auftretenden Reynolds-Spannungen liefern. Anhand der Daten dieser Messungen kann an einem Flügel mit abgerundeter Seitenkante eine großskalige turbulente Bewegung des Wirbelkerns detektiert werden, die einen Anstieg der Reynolds-Spannungen im Wirbelzentrum zur Folge hat. Bei einem Flügel mit scharfen Seitenkanten kommt es bereits unmittelbar an der Tragflügelspitze zu einem vorzeitigen Zerfall des Sekundärwirbels. Diese beiden Effekte lassen sich mit den hier verwendeten Turbulenzmodellen nicht mehr im Detail simulieren, zeigen aber mögliche Ansatzpunkte für Verbesserungen der Modelle auf.

The vortex roll-up process at a wing tip results from the pressure differences between the upper and the lower wing surface. Therefore, this process is a direct consequence of the generated lift. Due to the pressure differences, fluid flows from the bottom side of the wing around the wing tip to the upper side. As the flow cannot follow the contour of the wing tip it separates, which ultimately results in the roll-up of a wake vortex. The focus of this thesis is the detailed simulation of such highly three dimensional vortex roll-up processes by using the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. As the numerical dissipation substantially influences the results of such simulations, several studies are carried out in order to investigate the effect of the mesh resolution as well as the accuracy of the used methods. Based on these results, different turbulence models are validated for the use case. At the beginning, the Spalart-Allmaras model and the Menter-SST model are applied. Both turbulence models represent the state of the art for industrial applications. Furthermore, investigations are carried out to show how the accuracy of both models can be improved by using rotation correction methods. The applicability of an algebraic Reynolds stress model for the simulation of the vortex roll-up process is investigated as well. The main aspect of this thesis is the applicability of a differential Reynolds stress model for vortex simulations. In particular, the capability of the used SSG/LRR-w-model to capture the anisotropy of the Reynolds stresses inside a vortex more precisely and the exact solution of the turbulence production term improve the results of the simulations in comparison to eddy viscosity models. Nevertheless, deviations to experimental results taken from literature remain also for the Reynolds stress model. Therefore, complementary experimental investigations are carried out by using high resolution PIV measurement techniques. These measurements provide more detailed information about the velocity field of the vortex during the roll-up process as well as qualitative data about the Reynolds stresses within the vortex. At a wing with a rounded wing tip, the experimental results reveal a large-scale turbulent motion of the vortex core that increases the Reynolds stresses in the inner part of the vortex. In the immediate vicinity of a squared wing tip with sharp edges, a premature vortex breakdown of the secondary vortex is observed. Both effects cannot be simulated in detail by the used turbulence models but could be a starting point for an enhancement of these models.

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