Numerische Strömungsfeldanalysen

Numerische Strömungsfeldanalysen

Die wenigsten aktuellen Fragestellungen in der Strömungsmechanik können alleine mit Experimenten bearbeitet werden. In vielen Fällen müssen zum Beispiel dreidimensionale Informationen über das Strömungsfeld vorliegen, die in Experimenten nur schwer zugänglich sind. In anderen Fällen fordert schon die Auslegung eines Experimentes detailliertes Wissen über das Strömungsfeld.

In solchen Fällen ist es sinnvoll die Experimente durch numerische Simulationen zu begleiten. Dies erlaubt eine präzise Auslegung des Experimentes, einen detaillierten Vergleich und eine gegenseitige Validierung. Sowohl ein Experiment, als auch eine numerische Simulation unterliegen bestimmten Annahmen, Einschränkungen und Randbedingungen, die häufig erst durch einen wechselseitigen Vergleich aufgedeckt werden können.

LES-Simulation eines Profiles mit einem Zackenband zur Transitionsfixierung
Bei kleinen Reynoldszahlen bilden Profile eine laminare Ablöseblase, die meist einen großen Widerstand erzeugt. Durch ein Zackenband kann Turbulenz in der Grenzschicht erzeugt werden, so kann die laminare Ablösung verhindert werden. Die Dicke des Zackenbandes muss richtig gewählt werden, denn ein zu dickes Band erzeugt selbst einen großen Widerstand. Um diese genauer beschreiben zu können, müssen die Details beim erzwungenen laminar-turbulenten Übergang verstanden werden.
Adjoint Elbow
Die Optimierung von Strömungskörpern ist in der Regel wegen der extrem großen Menge an Freiheitsgraden sehr aufwändig. Adjungierte Methoden bieten einen Ansatz zu einer sehr effizienten Optimierung. In diesem Falle wurde der Druckverlust eines 90° Rohrbogens durch numerische Lösung der adjungierten Gleichungen minimiert.

Wir arbeiten mit den Strömungslösern von OpenFOAM sowie den CFD-Toolboxen des DLR. Dabei bedienen wir alle Bausteine, von der Modellvoreitung (CAD), Vernetzung, Pre-Processing, Rechnungssteuerung bis hin zum Post-Processing, Analyse und Data-Mining.

DES-Simulation airbag inflator
Visualisierung des Strömungsfeldes im Umfeld einer Airbag-Kaltgaspatrone unmittelbar nach der Zündung. Das mit Überschall ausströmende Helium bildet einen sog. "barrel-shock", der stark instationär ist. Der Aufbau der vollen Strömung dauert etwa 0,5 Millisekunden.

Ausgewählte Referenzen

ZHANG, J., FOHLMEISTER, L., SCHOLZ, P., Large-Eddy Simulation of Boundary-Layer Transition over a Zigzag Trip. AIAA Journal (2023). https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.J062237

SCHNORR, E., SCHOLZ, P., RADESPIEL, R. A method to quantify the supersonic discharge of airbag cold gas inflators. Experiments in Fluids 63, 177 (2022). https://doi.org/10.1007/s00348-022-03521-7 (OpenAccess)

SCHOLZ, P., FRANCOIS, D.G., HAUBOLD, S., SHAOWEI, S., EILTS, P., WM-LES Simulation of a generic intake port geometry, SAE Journal of Engines, Vol. 11, Nr. 3, 2018, doi: 10.4271/03-11-03-0023

PLACZEK, R., SCHOLZ, P., Flow Field Analysis of a Detailed Road Vehicle Model based on Numerical Data, In: Dillmann, A. et al. (Eds), Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design X, Volume 132, S. 433-442, 2016, doi: 10.1007/978-3-319-27279-5

MAHMOOD, S., SCHOLZ, P., RADESPIEL, R., Numerical Design of Leading Edge Flow Control over Swept High-Lift Airfoil, Aerotecnica Missili & Spazio, The Journal of Aerospace Science, Technology and Systems, Vol. 92, No. 1/2, 2013