A correlation-based transition model using local variables for unstructured parallelized CFD codes

Abstract

A new correlation-based transition model has been developed that is based strictly on local variables. As a result, the transition model is compatible with modern CFD techniques such as unstructured grids and massive parallel execution. The model is based on two transport equations, one for intermittency and one for a transition onset criterion in terms of momentum thickness Reynolds number. The proposed transport equations do not attempt to model the physics of the transition process (unlike e.g. turbulence models), but form a framework for the implementation of transition correlations into general-purpose CFD methods. The transition model has been extensively validated for predicting transition in both aerodynamic and turbomachinery flows. An incremental approach was used to validate the model, first on simple flat plate experiments, 2D airfoils/blades and then on progressively more complicated 3D test cases such as a low-aspect ratio compressor, a transonic wing, a full helicopter configuration and an actual wind turbine blade. In all cases good agreement with the available experimental data was observed. The author believes that the current formulation is a significant step forward in engineering transition modeling, as it allows the combination of transition correlations with general purpose CFD codes. There is a strong potential that the model will allow the 1st order effects of transition to be included in everyday industrial CFD simulations.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Transitionsmodell entwickelt, dass auf empirischen Korrelationen basiert. Durch die Beschränkung auf lokale Variablen in den verwendeten Korrelationen lässt sich dieses Modell innerhalb moderner CFD-Methoden einsetzen, die unstrukturierte Rechengitter und massiv parallele Berechnungsmethoden verwenden. Das Modell basiert auf zwei Transportgleichungen für die Intermittenz und die mit der Impulsverlustdicke gebildete Reynolds-Zahl, welche als Kriterium für das Einsetzen der Transition verwendet wird. Die vorgeschlagenen Transportgleichungen versuchen nicht, die Physik der Transition zu modellieren (entsprechend der Turbulenzmodellierung mit statistischen Turbulenzmodellen) sondern bilden einen Rahmen für die Implementierung empirischer Transitionskorrelationen in universelle CFD-Methoden. Das entwickelte Modell wurde eingehend für die Transition aerodynamischer Strömungen und Strömungen innerhalb von Turbomaschinen validiert. Diese Validierung wurde stufenweise durchgeführt. Am Anfang standen einfache Grenzschichtströmungen und zweidimensionale Tragflügelumströmungen . Im weiteren Verlauf wurde die Validierung auf komplexere Strömungen wie zum Beispiel die Strömungen in einem Kompressor und um einen transsonischen Tragflügel ausgedehnt. Abgeschlossen wurde die Validierung anhand einer kompletten Hubschrauberkonfiguration und einer Tragflügelumströmung eines Windkraftwerks. In allen Fällen konnte eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren experimentellen Ergebnissen festgestellt werden. Der Autor ist zuversichtlich, dass die durchgeführten Arbeiten ein wichtiger Beitrag für den Einsatz empirischer Transitionskorrelationen sind, da das entwickelte Modell die Kombination der Transitionskorrelationen mit modernen CFD-Berechnungsverfahren erlaubt. Potenziell besteht damit eine leistungsfähige Methode, um die Vorhersage der maßgeblichen Transitionseffekte in industrielle CFD-Simulationen zu integrieren.