Multiphysik turbulenter Strömungen

Bei einer DNS werden alle Strukturen in einer Strömung räumlich und zeitlich berechnet. Insbesondere auf Grund der kleinen Abmessungen von turbulenten Strukturen in der Strömung sind dafür sehr feine Rechennetze und Zeitschritte erforderlich. Am TFD werden DNS z.B. von hydraulisch rauen isotropen und anisotropen Rauheiten berechnet um entsprechende Rauheitsmodelle für den betriebsbedingten Verschleiß der Schaufeln von Flugtriebwerken zu entwickeln. Die Modellbildung erfolgt durch analytische und KI-Basierte Ansätze.

Bei der LES werden die kleinsten turbulenten Strukturen in der Strömung durch Modelle approximiert. Dadurch ist die LES kostengünstiger als DNS und ist durch numerische Verfahren mit einer Genauigkeit von höherer Ordnung auch für komplexe Kaskaden mit Seitenwänden und auch für mehrstufige Turbinen und Verdichter realisierbar. LES wird daher primär für die Simulation von Turbinen- und Verdicherkaskaden eingesetzt um die Modellbildung zu unterstützen.

Eine Voraussetzung für DNS und LES von technisch relevanten Strömungen ist die Vorgabe von Turbulenzen am Eintritt des Rechengebietes. Am TFD werden dafür synthetisch Wirbelmethoden entwickelt. Durch die Kombination mit einer Nachlauf-Randbedingung können numerisch effizient LES von Stufen durchgeführt werden um eine Basis für die Modellierung der nachlaufinduzierten Transition in Turbinen und Verdichtern zu erhalten.

Hybride RANS-LES Methoden kombinieren die Genauigkeit der LES mit dem geringen numerischen Ressourcenbedarf von RANS. Dabei soll die LES in Gebieten eingesetzt werden, in denen RANS wissentlich zu ungenau ist. Das TFD setzt hybride RANS-LES Methoden z.B. für die Simulation von dynamischer Strömungsablösung an Windenergieanlagen ein. Zudem arbeiten wir an Ansätzen zum lokalen Wechsel zwischen RANS und LES Verfahren.

RANS ist der Industriestandard zur Simulation von komplexen Strömungen in technischen Anwendungen. Dabei wird der Einfluss von Turbulenz auf die Strömung vollständig durch Modelle approximiert. Wir validieren Turbulenz- und Transitionsmodelle mit Hilfen von experimentellen Daten und DNS/LES. Im Bedarfsfall entwickeln auf der gleichen Basis verbesserte Modellansätze. Wir sind ein strategischer Partner der MTU Aero Engines für die Qualitätssicherung der Zweigleichungs-Turbulenzmodelle im Strömungslöser TRACE, welcher in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der MTU Aero Engines AG entwickelt wird.

Die MTS-Gruppe betreibt einen Wasserkanal, der insbesondere für die Entwicklung Rauheitsmodellen eingesetzt wird. Rauheiten von wenigen Mikrometern können durch die höhere Dichte von Wasser bei gleicher Reynolds-Zahl geometrisch auf wenige Millimeter hoch skaliert und mit optischen Messmethoden untersucht werden. Zudem vermisst die MTS-Gruppe in einem Gitterwindkanal lineare Turbinen und Verdichterprofile mit und ohne Rauheiten. Beide Prüfstände dienen zusammen mit DNS und LES der Validierung und Entwicklung von Rauheitsmodellen.