Untersuchungen zum korrelationsbasierten Transitionsmodell in ANSYS CFD

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Transitionsmodellierung in modernen CFD-Codes am Beispiel des ANSYS CFD gamma-Re_theta-Transitionsmodells. Transition stellt den Übergang einer laminaren in eine turbulente Strömung dar. Bei der rechnergestützten Strömungssimulation wird meist auf eine Berücksichtigung der Transition verzichtet, da der überwiegende Anteil technisch relevanter Strömungen vollständig turbulent ist und laminare Grenzschichtbereiche kaum Einfluss auf den gesamten Strömungszustand haben. Zusätzlich besteht ein Mangel an verlässlichen Werkzeugen, um den Transitionsprozess bei ingenieurmäßigen Fragestellungen zu erfassen. Die Annahme, dass nur turbulenten Strömungen Bedeutung beigemessen werden muss, ist dahingehend zu korrigieren, dass die Transition immer dann zu berücksichtigen ist, wenn eine weitere Optimierung von Hochleistungsmaschinen vorgenommen werden soll. Dies gilt sowohl für die Formgebung von Stromlininenkörpern als auch für die komplizierten Strömungszustände in Turbomaschinen. Das gamma-Re_theta-Transitionsmodell stellt ein empirisches Korrelationsmodell dar, das durch seine rein lokale Formulierung für die Nutzung in CFD-Codes für unstrukturierte Gitter geeignet ist. Durch das Transitionsmodell wird das SST k-omega-Modell um zwei partielle Differentialgleichungen erweitert, die das Einsetzen der Transition (Intermittenz-Transportgleichung) und die Verteilung der kritischen Strömungsgröße, bei der die Transition einsetzt, im Strömungsfeld steuern (Re_theta,t-Transportgleichung). Neben der Formulierung des Modells werden die strömungsmechanischen Grundlagen des Transitionsprozesses und die Grundlagen der Turbulenzmodellierung dargestellt. Anhand von Versuchsdaten zu Strömungen an einer ebenen Platte, in einer Verdichterkaskade und um ein Tragflügelprofil wird eine Validierung des Modells durchgeführt. Hierbei kann am Beispiel des Verdichterprofils, angeströmt bei einem negativen Inzidenzwinkel, und dem Tragflügelprofil bei hohem Anstellwinkel die technische Relevanz der Transition aufgezeigt werden. Neben der allgemeinen Eignung Transitionsvorgänge angemessen genau abzubilden, zeigt sich, dass der Wahl von Turbulenzgrößen auf den Rändern des Strömungsfelds eine große Bedeutung bei der Bestimmung der Transition zukommt. Durch die Nutzung des Transitionsmodells steigen die Anforderungen im Pre-Processing, die Rechenzeiten und der Aufwand bei der Interpretation der Ergebnisse.