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Behandlung von Strömungsproblemen in Raketendüsen bei Überexpansion
(2001) Frey, Manuel; Wagner, Siegfried (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit untersucht die strömungsmechanischen Ursachen der bei Strömungsablösung in Raketendüsen beobachteten Seitenkräfte und gibt Hinweise zu ihrer Quantifizierung. Zunächst werden die im Abgasstrahl von überexpandierten Düsenströmungen auftretenden Stoßmuster analysiert. In gekürzten idealen Düsen tritt wie erwartet nur die reguläre oder Machreflexion des Überexpansionsstoßes an der Düsenlängsachse auf. Im Gegensatz dazu kann sich im Abgasstrahl einer schuboptimierten Düse ein drittes, bisher unbekanntes und nun als 'Kappenmuster' bezeichnetes Stoßmuster einstellen, welches sich als inverse Machreflexion des in schuboptimierten Düsen erzeugten inneren Stoßes deuten läßt. Für den Fall der Freistrahlablösung wird ein Modell zur Bestimmung des Ablösepunktes vorgeschlagen. Es wird gezeigt, daß die weniger erforschte Ablösung mit Wiederanlegen anders als bisher angenommen durch die Konturgebung der Düse bedingt ist. Sie tritt nur in schuboptimierten Düsen bei Existenz eines Kappenmusters auf, weil dieses die abgelöste Strömung in Richtung Düsenwand umlenkt und so zum Wiederanlegen führt. Videoanalysen und numerische Simulationen weisen die Ablösung mit Wiederanlegen erstmals auch in Großtriebwerken nach. Beim Anfahren und Abschalten von schuboptimierten Düsen kann es zum Umschlag zwischen den beiden Ablösetypen kommen. Eigens durchgeführte Modellversuche zeigen, daß die mit Abstand größten Seitenkräfte im diesem Augenblick auftreten, weil der Umschlag asymmetrisch erfolgt. Seitenkraftmessungen aus Triebwerksversuchen belegen dies auch für Großtriebwerke. Folglich können Seitenkräfte durch die Verwendung einer gekürzten idealen anstatt einer schuboptimierten Kontur entscheidend verringert werden, weil dadurch das Wiederanlegen der abgelösten Strömung vermieden wird. In den Modellversuchen erzeugt dementsprechend eine schuboptimierte Düse fast dreimal so hohe Seitenkräfte wie eine vergleichbare gekürzte ideale Düse.
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Berechnung und Verminderung von Strömungsgeräuschen an Profilen
(2004) Guidati, Gianfranco; Wagner, Siegfried (Prof. Dr.-Ing.)
Die Arbeit behandelt die Berechnung und Verminderung von Strömungsgeräuschen an Tragflügelprofilen. Dabei werden zwei Mechanismen der Lärmentstehung betrachtet. Vorderkantenlärm entsteht aus der Wechselwirkung von Turbulenz in der Zuströmung mit der Vorderkante eines Profils. Hinterkantenlärm entsteht aus der Wechselwirkung von Grenzschichtturbulenz mit der Profilhinterkante. Für beide Mechanismen werden Vorhersageverfahren vorgestellt. Berechnungen und Messungen zeigen, dass Vorderkantenlärm stark von der Form der Profilnase abhängt. Dabei erzeugen stumpfe Profile bis zu 10 dB weniger Lärm als solche mit einer spitzen Vorderkante. Für den Hinterkantenlärm wurde ein Vorhersageverfahren mit einem Profilentwurfsprogramm und einem automatischen Optimierungsalgorithmus gekoppelt. Berechnungen zeigen, dass Lärmreduktionen bis zu 4 dB durch einen gekoppelten aerodynamischen / aeroakustischen Profilentwurf erreicht werden können.
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Entwicklung eines akustischen Messsystems für aerodynamisch optimierte Windkanäle
(2005) Guidati, Sandro; Wagner, Siegfried (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines akustischen Messsystems für den Einsatz in Windkanälen ohne akustische Optimierung am Beispiel des Laminarwindkanals des Instituts für Aerodynamik und Gasdynamik, Universität Stuttgart. Dieser Kanal zeichnet sich durch einen extrem niedrigen Turbulenzgrad und eine geschlossene Messstrecke aus. Die Nachteile der aerodynamisch optimalen Auslegung sind ein hoher Hintergrundlärmpegel und Reflexionsanteil in der Messstrecke. Das akustische Messsystem basiert auf der Mikrofonarray-Technologie. Diese ermöglicht es, auf der Grundlage von örtlich verteilt synchron erfassten Mikrofonsignalen ein komplexes Schallfeld in einzelne Quellen aufzulösen und deren Position und Frequenzinhalt zu bestimmen. Der Einsatz der Array-Technologie war bislang auf Kanäle mit offener bzw. hinreichend großer Messstrecke und einem reduzierten Hintergrundlärmpegel beschränkt. Die existierenden kommerziellen Komplettsysteme sind entweder nicht flexibel genug oder zu teuer. Daher wurde der überwiegende Teil der Hardware sowie die gesamte Software am Institut entwickelt und hergestellt. Die Gesamtkosten liegen bei ca. 25 000 €. Der resultierende 96-Kanal Array kann aufgrund eines Verstärkungsumfangs von 80 dB sowohl im LWK als auch in akustisch optimierten Windkanälen mit einem extrem niedrigen Hintergrundlärmpegel eingesetzt werden. Zur Lösung der Reflexionsproblematik wird der herkömmliche Array-Algorithmus (Classical Beamforming) durch ein Reflexionsmodell basierend auf Spiegelquellen erweitert. In Simulationen zeigt sich, dass der erweiterte Algorithmus (Reflection Canceller) ein im Vergleich zum herkömmlichen Algorithmus verbessertes räumliches Auflösungsvermögen zeigt. Dieser Effekt wird auf der Grundlage von Messungen des Reflexionsverhaltens in der Messstrecke sowie aeroakustischen Messungen an Punktquellen verifiziert. Zur Lösung der Problematik des Hintergrundlärms wurde ein In-Flow-Array entwickelt. Dabei werden die Mikrofone in den Staupunkt von NACA0015-Profilen eingebaut. Aufgrund der im Staupunkt vernachlässigbaren Anströmung kann so auf den üblicherweise verwendeten Mikrofonschaum verzichtet werden. Vier dieser Profile mit insgesamt 72 Mikrofonen werden in unmittelbarer Nähe des interessierenden Windkanalmodells angebracht. Eine Abdeckung, bestehend aus feinmaschiger Gaze, gewährleistet selbst bei Schiebewinkeln bis 45 ° eine laminare Strömung über den Mikrofonkapseln. Damit ist eine dreidimensionale Mikrofonanordnung möglich. Der In-Flow-Array wurde bei der Messung des Hinterkantenlärms eines NACA-0012-Profils erfolgreich eingesetzt.
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Numerische Simulation inkompressibler turbulenter Strömungen mit Mehrgitterverfahren auf unstrukturierten Gittern
(1999) Huurdeman, Bernhard; Wagner, Siegfried (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit soll gezeigt werden, auf welche Art und Weise lineare Mehrgitterverfahren, beschränkt auf zwei Raumdimensionen, zur Berechnung inkompressibler turbulenter Strömungen eingesetzt werden können. Besonders berücksichtigt werden dabei die Möglichkeiten einer lokal adaptiven Gitterverfeinerung. Diskretisiert werden die Navier-Stokes Gleichungen und die Turbulenztransportgleichungen mit einem dualen Finite-Volumen Verfahren. Dies führt bei den Navier-Stokes Gleichungen auf ein gekoppeltes Gleichungssystem für Druck und Geschwindigkeit. Als Turbulenzmodelle wurden eine Reihe von Low-Reynolds Zweigleichungs-Turbulenzmodellen eingesetzt und als Testfälle eine Hügelströmung und eine Tragflügelumströmung betrachtet. Eine Kombination aus linearem Mehrgitterverfahren zur Vorkonditionierung und dem BiCGSTAB-Verfahren erwies sich für diese Anwendungen als sehr robustes und schnell konvergierendes Verfahren. Um die für Low-Reynolds Turbulenzmodelle erforderlichen zur Wand hin stark verfeinerten Grenzschichtgitter zu erstellen, wurde ein spezieller Gitterverfeinerungsalgorithmus entwickelt, der auch eine lokal adaptive Gitterverfeinerung erlaubt. Es wurden damit mehrere Strategien der adaptiven Gitterverfeinerung untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung der Konvergenzverbesserung des nichtlinearen Systems mit Hilfe eines Newton-Verfahrens. Die Jacobi-Matrix wird dabei über eine numerische Differentiation bestimmt. Für stationäre laminare Strömungen reduzierten sich bei diesem Verfahren, im Vergleich zu einer Fixpunktiteration, die Anzahl der Iterationsschritte um zwei Drittel. Bei der Simulation turbulenter Strömungen konnten jedoch nur 30 % der Rechenzeit eingespart werden.
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A parallel discontinuous Galerkin code for the Navier-Stokes and Reynolds-averaged Navier-Stokes equations
(2008) Landmann, Björn; Wagner, Siegfried (Prof. Dr.-Ing.)
The numerical simulation of flow problems has gained further importance during the recent years. This is-obviously next to the increase of computing power-due to the steady improvements of the numerical discretisation methods and the improvement of the efficiency of the associated solution algorithms. Even wider acceptance could be obtained, if the flexibility, the automatism or the efficiency of the flow simulation could be further improved. One promising and relatively new discretisation approach, which recently attracted attention, is the discontinuous Galerkin (DG) method. The DG approach seems to have the potential to solve some problems, which mainly have their origin in the presently used discretisation methods. In the present work, an attempt has been made to examine the qualities of the present state of the art discretisation methods based on the DG approach in space. Therefore, different DG methods, including some recently developed methods, are employed for the discretisation of the compressible Euler- and Navier-Stokes equations as well as for the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The turbulence modeling is applied with a one-equation or a two equation model, namely the Spalart-Allmaras or the k-omega model. The temporal discretisation of the partial differential equations is either performed explicitely with the aid of classical Runge-Kutta methods or with an implicit discretisation approach.
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Turbulenzmodellierung und Detached-Eddy-Simulationen mit einem Discontinuous-Galerkin-Verfahren hoher Ordnung
(2011) Lübon, Christian; Wagner, Siegfried (Prof. Dr.-Ing.)
In letzter Zeit wuchs die Bedeutung der numerischen Simulation von Strömungen im industriellen Umfeld. Meist ist die Strömung dreidimensional, turbulent, abgelöst und das bei komplexen Geometrien. Aufgrund der Komplexität solcher Probleme ist eine kontinuierliche Weiterentwicklung der numerischen Methoden und Lösungsverfahren zwingend erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird ein Discontinuous Galerkin Verfahren hoher Ordnung vorgestellt, um abgelöste turbulente Strömungen um komplexe Geometrien mit unstrukturierten Gittern und hoher Genauigkeit zu berechnen. Die Discontinuous Galerkin (DG) Verfahren verbinden Ideen aus den Finite Elemente (FE) und Finite Volumen (FV) Verfahren, beispielsweise hohe Genauigkeit durch einen polynomialen Ansatz innerhalb der Zellen, oder die Wellenausbreitung mit den damit verbundenen Riemann Problemen. Ursprünglich wurde die Methode f ur hyperbolische Erhaltungsgleichungen wie die Euler-Gleichungen entwickelt. In der realen Anwendung ist die Strömung meist aber turbulent, dreidimensional und instationär. Die ursprünglich entwickelten DG Verfahren für die Euler-Gleichungen enthielten nur Ableitung erster Ordnung. Der Durchbruch zur Lösung der Navier-Stokes Gleichungen mit ihrer Ableitung zweiter Ordnung gelang Bassi und Rebay. Danach musste ein weiterer großer Schritt getan werden, die Erweiterung der Algorithmen zur Behandlung von turbulenten Strömungen. Die instationären Reynolds gemittelten Navier-Stokes (URANS) Gleichungen mussten gelöst werden. Dafür wurden die Algorithmen von Bassi und Rebay sowie von Landmann um Turbulenzmodelle erweitert. Darauf aufbauend wurde in der vorliegenden Arbeit die Methode zuerst für dreidimensionale turbulente Strömungen und später auf eine Detached Eddy Simulation (DES) erweitert. Um die hohe Ordnung und den damit verbundenen Effizienzgewinn des Verfahrens nachzuweisen wurde zuerst eine Konvergenzanalyse durchgeführt, später dann die ausgezeichnete Skalierbarkeit auf massiv parallelen Höchstleistungsrechnern demonstriert. Danach werden einige ausgewählte Ergebnisse, wie die Strömung längs einer Platte oder die Strömung um eine Kugel, die nicht mit herkömmlichen URANS Methoden bestimmt werden kann, mit hoher Genauigkeit berechnet und mit der Theorie beziehungsweise dem Experiment verglichen.