Numerische Simulation wirbelbehafteter kavitierender Strömungen

Hachmann, Thomas

Zielsetzung dieser Arbeit war die Weiterentwicklung von numerischen Algorithmen, welche der hohen Wirbeldissipation in der numerischen Lösung entgegenwirken um eine genauere Prognose speziell im Bereich der Spitzenwirbelkavitation von Propellern zu erreichen. Hierzu wurde zunächst anhand einfachster Problemstellungen die Wirbelausbreitung mit numerischen Verfahren nach aktuellem Stand der Wissenschaft untersucht. Aufgrund der ungenügenden Abbildung von Wirbelstrukturen ist hier zwingend Handlungsbedarf erforderlich, insbesondere wenn zu der Wirbelabbildung in einphasigen Strömungssimulationen die speziell in der Propellerauslegung zumeist unerwünschte Kavitation anhand von Berechnungen zweiphasiger Strömungen berücksichtigt und simuliert werden muss. Der Fokus liegt in dieser Arbeit auf der Abbildung der Spitzenwirbelkavitation. Zur Aufrechterhaltung von Wirbeln kann im Allgemeinen zum einen eine erhöhte Netzauflösung gewählt werden. Dieses führt jedoch zu deutlich erhöhten Rechenzeiten. Eine weitere Möglichkeit ist das Einbringen antidissipativer Terme in die numerische Lösung. Dieses Einbringen antidissipativer Terme muss jedoch so gesteuert werden, daß nur gezielt in ausgewählten Bereichen in die numerische Lösung eingegriffen wird. Hierzu gibt es in der Literatur bereits unterschiedliche Ansätze, welche jedoch in der Praxis aus eigenen Erfahrungen nicht zu dem gewünschten Erfolg bzw. zu einer gewünschten Stabilität in der numerischen Lösung speziell im Bereich der Propellerumströmung geführt haben. Der Hauptgrund ist bei allen Formulierungen der unzureichende Ausschluß der Grenzschicht welcher bei Grenzschichtbehafteten Strömungsproblemen zu einer vernachlässigbar geringen Beeinflussung der Strömung führt. Für reale Problemstellungen sind diese Verfahren nur sehr eingeschränkt nutzbar. Weiterhin handelte es sich bei den frühen Formulierungen um einen dimensionsbehafteten Parameter e. Aufgrund der Erfahrungen mit bereits vorhandenen Formulierungen wurde eine Möglichkeit des gesteuerten Eingriffs in die numerische Lösung geschaffen, welche die direkte Auswahl vorhandener Wirbelstrukturen ermöglicht. Dieses erfordert natürlich eine gewisse Kenntnis der aktuellen Umströmungssituation. Diese wird jedoch nicht nur für diese Art des Eingriffs in die numerische Lösung gefordert, sondern ist stets bei der Bewertung numerischer Lösungen notwendig und stellt somit keine erhöhten Anforderungen an den Nutzer. Das Verfahren wurde zunächst an einfachsten Wirbelströmungen auf die Eignung untersucht und im Anschluss an realen Strömungsproblemen angewendet für welche experimentelle Ergebnisse vorliegen. Es hat gute Übereinstimmungen gezeigt zu vergleichbaren Berechnungen mit fein aufgelösten Netzen aber auch zu den vorliegenden Versuchsergebnissen. Eine ausreichend genaue Abbildung und Verfolgung von Spitzenwirbeln ist somit auch auf grob aufgelösten Netzen möglich. Zur Simulation von Kavitationseffekten ist natürlich eine besonders hohe Netzauflösung gefordert. Jedoch kann auch hier für frühe Abschätzungen der Wirbelausbreitung dieses Verfahren zum Einsatz kommen. Dieses wurde z.B. am untersuchten Tragflügel und auch am Propeller gezeigt. Weiterer Handlungsbedarf besteht in der Abschätzung der Stärke des einzubringenden wirbelerhaltenden Terms. Die Einführung eines variablen Faktors, welcher anhand der Wirbeltransportgleichung ermittelt werden könnte und die Richtung der Durchströmung durch die einzelnen Zellen berücksichtigt, sollte weitergehend untersucht werden. Ebenso ist eine Anpassung des einzubringenden Kraftterms in Umfangsrichtung zu überdenken, um eine exaktere Abbildung der Rotation zu gewährleisten. Zudem sollte die Findung des für die Problemstellung günstigen Parameters e automatisch erfolgen. Die automatische Ermittlung könnte über die Einbindung der Wirbeltransportgleichung in die numerische Lösung ermöglicht werden. Mit den bisherigen Verfahren können jedoch bereits gute Ergebnisse und Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen erzielt werden.

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Hachmann, Thomas: Numerische Simulation wirbelbehafteter kavitierender Strömungen. 2014.

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