New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XV

Inhaltsverzeichnis

1. Turbulence and Transition

   1. Frontmatter

   2. Numerical Investigation for the Determination of Wall-Normal Velocity Components Using Fibre Sensors in a Turbulent Wall-Bounded Flow

      Lisa Bagdenand, Christoph Wenzel, Ulrich Rist

      Dieses Kapitel untersucht den Einsatz von Fasersensoren zur Erkennung von Geschwindigkeitskomponenten in turbulenten wandbegrenzten Strömungen, inspiriert von natürlichen Sensoren wie Spinnenhaaren. Die Studie bewertet ein Konzept zur Schätzung der Wand-Normalgeschwindigkeits-Komponente (v) aus dem Wurzelbiegemoment in stromlinienförmiger und spanischer Richtung. Die Funktionalität des Fasersensor-Arrays wird eingeführt, und der Pearson-Koeffizient wird verwendet, um die Korrelation zwischen Sensorsignalen und Geschwindigkeitskomponenten zu beurteilen. Der Aufbau beinhaltet Large Eddy Simulation (LES) -Daten einer turbulenten Kanalströmung, und die Rekonstruktion der V-Komponente wird detailliert beschrieben. Die Studie zeigt, dass die Fasersensoren die Stromlauf- und Spannungsgeschwindigkeitskomponenten (u und w) präzise bestimmen können und dass das Konzept vielversprechende Ergebnisse für die Schätzung der Wand-Normalgeschwindigkeitskomponente zeigt. Die qualitative Übereinstimmung zwischen geschätzten und tatsächlichen Geschwindigkeitsfeldern ist stark, wobei einige quantitative Unterschiede festgestellt werden. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Fasersensor-Array augenblickliche Geschwindigkeitskomponenten erkennen und das gesamte 3D-Strömungsfeld rekonstruieren kann, mit möglichen Anwendungen in der Strömungssteuerung und Strukturerkennung.

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   3. Comparing Assimilation Techniques for Pressure and Temperature Fields in Rayleigh-Bénard Convection

      Robin Barta, Marie-Christine Volk, Michael Mommert, Christian Bauer, Claus Wagner

      Abstract

      We compare two methods to assimilate temperature and pressure fields based on given three-dimensional velocity fields of moderately turbulent Rayleigh-Bénard convection in a cubic geometry with system parameters Rayleigh and Prandtl number: Ra \(=1\cdot 10^6\), Pr \(=0.7\). The first method describes a direct solution of the problem using the fractional step of the associated Navier-Stokes equation. The second method uses a physically informed neural network approach that learns the associated temperature and pressure fields by minimizing the residual loss of the set of equations governing the flow. The ground truth temperature, pressure, and velocity fields originate from a direct numerical simulation.

   4. Scale-Resolving Model Study of a Turbulent Wall Jet Induced by a Transient Plasma Actuator Force

      Tarik Čorbo, Suad Jakirlić

      Dieses Kapitel befasst sich mit der Modellierung von Plasma-Aktuatorkräften in turbulenten Wandstrahlen und konzentriert sich auf den Vergleich zwischen gleichmäßigen und zeitlich variierenden Kraftansätzen. Die Studie stellt zwei Modellierungstechniken vor: den "exakten" Ansatz, der zeitlich variierende Messungen mit einem festen Zeitschritt verwendet, und einen neuronalen netzwerkbasierten Ansatz, der Kraftwerte anhand interpolierter Daten vorhersagt. Die Forschung unterstreicht die Bedeutung der genauen Erfassung der Turbulenzproduktion für technische Anwendungen. Der Ansatz neuronaler Netzwerke, der auf linear interpolierten Daten trainiert ist, zeigt die beste Übereinstimmung mit experimentellen Daten. Die Studie untersucht auch die Auswirkungen verschiedener Interpolationsmethoden auf die Genauigkeit der Kraftvorhersage. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Modellierung der Unstetigkeit von Plasmaaktoren, um die Turbulenzintensität in Simulationen zu erhöhen. Das Kapitel schließt mit Vorschlägen für weitere Verbesserungen und Validierungen des Ansatzes neuronaler Netzwerke.

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   5. A Spectral Investigation of the Transitional Boundary Layer Flow During Free Flight in the Convective Atmosphere

      Ulrich Deck, Werner Würz

      Diese Studie beschäftigt sich mit der spektralen Untersuchung des Grenzschichtflusses während des freien Fluges in der konvektiven Atmosphäre und konzentriert sich auf die Auswirkungen von Zuflussturbulenzen auf Übergangsprozesse und Standorte natürlicher Laminarströmungen (NLF). Mithilfe von Freiflugmessungen mit einem Hochleistungssegelflugzeug erfasst die Forschung Daten unter verschiedenen Wetterbedingungen, einschließlich ruhiger Luft und aktiver Konvektion, um Turbulenzkategorien auf der Grundlage von Verlustraten zu klassifizieren. In der Studie werden Heißfilm- und Heißdrahtsensoren eingesetzt, um Grenzschichtfluktuationen bzw. Strömungsfluktuationen zu messen, und die Ergebnisse mit Berechnungen der Linearen Stabilitätstheorie (LST) verglichen. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die Identifizierung von Tollmien-Schlichting-Wellen (TS) und ihre Rolle in Übergangsprozessen, die Verschiebung des Einsetzens des Übergangs aufgrund erhöhter Turbulenzen und die Übereinstimmung zwischen experimentellen Daten und LST-Vorhersagen selbst unter hohen Turbulenzbedingungen. Die Forschungsergebnisse unterstreichen den starken Beitrag der TS-Modi im Übergangspfad für realistische Zuströmbedingungen und liefern wertvolle Erkenntnisse zur Verbesserung der Vorhersagemethoden für NLF-Tragflächen in Anwendungen der Allgemeinen Luftfahrt.

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   6. Transition and Separation on a Spinning Projectile Subjected to Subsonic Flow at High Angles of Attack

      Bernd Dutschke, Christian Rey, Christian Mundt

      Dieses Kapitel befasst sich mit der komplexen Aerodynamik von sich drehenden Geschossen, die unter hohen Angriffswinkeln dem Unterschallfluss ausgesetzt sind, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf dem Magnus-Effekt und der Strömungstrennung liegt. Die Studie verwendet Kraftgleichgewichtsmessungen und Particle Image Velocimetry (PIV) in einem Unterschall-Windkanal, um den Einfluss der Rotationsrate auf den Grenzschichtübergang und die Wirbelasymmetrie zu untersuchen. Schlüsselergebnisse zeigen, dass bei Angriffswinkeln von mehr als 20 Grad sowohl normale als auch Magnus-Kräfte ein hochgradig nichtlineares Verhalten aufweisen, das maßgeblich von der Rotationsrate beeinflusst wird. Die Forschung identifiziert unterschiedliche Strömungsphänomene, wie die asymmetrische Anordnung leeseitiger Wirbel und den nichtmonotonen Effekt der Rotationsrate auf die Normalkraft, die zu den beobachteten inversen Magnus-Kräften bei niedrigen Rotationsraten beitragen. Die Studie beleuchtet auch die Rolle des laminar-turbulenten Übergangs bei der Veränderung der Trennpositionen und der daraus resultierenden aerodynamischen Kräfte. Diese Erkenntnisse sind von entscheidender Bedeutung für das Verständnis und die Optimierung der Leistung spinstabilisierter Geschosse, insbesondere bei hohen Angriffswinkeln, wo Unterschallströmungsbedingungen vorherrschen. Die detaillierte Analyse von Geschwindigkeitsfeldern und Trennpositionen bietet einen umfassenden Überblick über das aerodynamische Verhalten und liefert wertvolle Daten für theoretische und praktische Anwendungen in der Aerodynamik und im Projektildesign.

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   7. Experimental Design for the Validation of Extended Hybrid Laminar Flow Control and Transition Prediction in Complex 3D Flows

      Lajos Fohlmeister, Sebastian Helm, Rolf Radespiel, Cornelia Grabe

      Dieses Kapitel befasst sich mit dem experimentellen Design zur Validierung der Hybrid Laminar Flow Control (HLFC) und der Vorhersage des Übergangs in komplexen 3D-Strömungen. Dabei werden zwei primäre Herausforderungen angesprochen: automatisierte Vorhersage des Übergangs und effektive Grenzschicht-Saugsysteme. In der Studie wird ein Windkanalmodell mit spanisch variierendem Sweep-Winkel vorgestellt, um die Machbarkeit des Konzepts der erweiterten hybriden Laminarflussregelung (xHLFC) zu testen und komplexe Übergangsszenarien zu generieren. Das Modell verfügt über ein äußeres Segment, das für quasi unendliche Schwungbedingungen ausgelegt ist, und ein inneres Segment mit einem allmählich zunehmenden Schwungwinkel, um starke, spanisch bedingte Schwankungen im Übergangsverhalten zu erzeugen. In diesem Kapitel wird das Design des Windkanalexperiments diskutiert, einschließlich der Geometrie des Modells, der Messtechniken und der numerischen Neuberechnungen. Vorläufige numerische Ergebnisse deuten auf eine gute Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Methoden zur Vorhersage des Übergangs hin und heben die Fähigkeit des Modells hervor, Instabilitätsverstärkungen zu replizieren, die denen bei Flugbedingungen ähneln. Die Studie schließt mit der Betonung des Potenzials des Modells, das xHLFC-Konzept zu bewerten und die Wechselwirkungen zwischen Tollmien-Schlichting und Querflussinstabilitäten mit Grenzschichtsog zu untersuchen.

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   8. Experimental Data Analysis of Mean Flow and Turbulence over a Backward Facing Step for RANS Turbulence Modeling

      Maïté Guerin, Tobias Knopp, Cornelia Grabe, Marco Costantini, Andreas Schröder, Daniel Schanz, Reinhard Geisler

      Dieses Kapitel präsentiert eine experimentelle Studie über mittlere Strömung und Turbulenzen über einen rückwärts gerichteten Schritt (BFS), um die RANS-Turbulenzmodellierung zu verbessern. Die Forschung konzentriert sich auf die Wiederanhaftungslänge, die Ausbreitung turbulenter kinetischer Energie (TKE) und Reynolds-Stress-Anisotropie in getrennten Scherflüssen. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört die Identifizierung von drei unterschiedlichen Regionen der Scherschichtentwicklung, von denen jede einzigartige Streuraten und Anisotropieeigenschaften aufweist. Die Studie unterstreicht die Wichtigkeit der Verwendung eines an den Fluss angepassten Koordinatensystems für eine genaue Analyse. Die experimentellen Daten, die durch fortgeschrittene LPT-Techniken gewonnen wurden, zeigen einen vielversprechenden Zusammenbruch qualitativer Daten unter Verwendung eines Skalierungsansatzes, der für ebene Mischschschichten entwickelt wurde. Die Ergebnisse untermauern die Notwendigkeit strömungsangepasster Anisotropiewerte in RANS-Modellen, insbesondere für freie Scherflüsse. Diese Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse zur Verbesserung der Genauigkeit von RANS-Vorhersagen in aerodynamischen Designanwendungen.

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   9. Modeling Approaches for Boundary-Layer Suction in Transition Transport Models

      Sebastian Helm, Normann Krimmelbein, Andreas Krumbein, Cornelia Grabe, Richard von Soldenhoff, Heinrich Lüdeke, Konstantin Thamm

      Dieses Kapitel befasst sich mit der Modellierung der Grenzschichtansaugung in Transittransportmodellen, mit besonderem Fokus auf das DLR-Modell. Die Studie bewertet verschiedene Ansätze, um die Wirkung von Grenzschichtsog zu erfassen, und zwar sowohl anhand idealer als auch realer Testfälle für flache Platten. Das Kapitel beleuchtet die Grenzen aktueller Transittransportmodelle bei der präzisen Vorhersage der stabilisierenden Wirkung des Sogs. Er führt zwei Hauptansätze ein: eine korrelationsbasierte Modifikation der Übergangskriterien und das Konzept eines äquivalenten Druckgefälles. Das Kapitel diskutiert auch die Auswirkungen des Grenzschichtsogs auf das Störungsumfeld und schlägt einen pragmatischen Ansatz vor, um diesen Effekt zu berücksichtigen. Die Ergebnisse zeigen, dass die modifizierten Kriterien, insbesondere die gemittelten effektiven Druckgradienten, die Darstellung des Grenzschichtsogs im Vergleich zu den ursprünglichen Kriterien verbessern. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die mögliche Integration dieser Konzepte in andere Modelle und die Notwendigkeit zukünftiger Arbeiten, um die Empfänglichkeit der Grenzschicht besser zu erfassen.

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   10. Correlating the Internal Encoding of Boundary-Layer Profiles: Insights in Neural Networks Used for Boundary-Layer Stability Prediction

       Paul Hoffmann, Alexander Theiß, Stefan Hein

       Dieses Kapitel befasst sich mit der Anwendung künstlicher neuronaler Netzwerke (ANNs) zur Vorhersage der Stabilität der Grenzschicht, einem entscheidenden Faktor bei der Verringerung von Luftwiderstands- und Kohlenstoffemissionen. Die Studie erweitert frühere Arbeiten um die Untersuchung zweier Arten von Instabilitäten: 2D-Tollmien-Schlichting-Instabilitäten (TSI) und stationäre Crossflow-Instabilitäten (CFI). Durch die Verwendung eines Engpass-Neurons in der Netzwerkarchitektur korrelieren die Autoren die netzwerkinterne Kodierung von Grenzschichtprofilen mit physikalischen Parametern, was starke Korrelationen mit Formfaktoren für TSI und der maximalen Querflussgeschwindigkeit für CFI aufzeigt. Der Einsatz symbolischer Regression zur Entschlüsselung dieser latenten Parameter bietet einen neuartigen Ansatz zur Interpretation neuronaler Netzwerkmodelle, der ihre Vertrauenswürdigkeit und Anwendbarkeit in realen Szenarien verbessert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass neuronale Netzwerke selbstständig physikalisch bedeutsame Parameter lernen können, was wertvolle Einblicke in die Vorhersage der Stabilität der Grenzschicht bietet.

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   11. Preliminary Verification, Validation and Stabilization of Reynolds Stress Models Using the CFD Software by ONERA, DLR, Airbus (CODA)

       Keerthana Chandrasekar Jeyanthi, Johannes Löwe, Tobias Knopp, Matthias Lühmann, Andreas Krumbein

       Dieses Kapitel befasst sich mit der Verifizierung, Validierung und Stabilisierung von Reynolds-Stressmodellen (RSMs), insbesondere des SSG / LRR-ln-Modells, unter Verwendung der CFD-Software CODA. CODA wurde gemeinsam von ONERA, DLR, Airbus und ihren europäischen Forschungspartnern entwickelt und zielt darauf ab, eine robuste Umsetzung des SSG / LRR-ln-Modells zu erreichen. Der Text untersucht die Herausforderungen, vor denen die numerischen Experimente standen, und die Methoden, die angewandt wurden, um Robustheitsprobleme abzumildern. Es unterstreicht die Bedeutung der Durchsetzung von Realisierbarkeitsbeschränkungen für den Reynolds-Stresstensor und diskutiert verschiedene Ansätze, um dies zu erreichen, darunter Clipping Approximation, Blending Diffusionsmodelle, nichtlineare Positivitätsfilter und realisierbarkeitserhaltende Zeitschrittschemata. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse von Verifikationsstudien anhand von Standardtestfällen wie der Nulldruckgradienten-Flachplatte und dem 2D-Bump-in-Channel sowie Validierungsstudien zum Profil NACA0012 vorgestellt. Es vergleicht die Leistung von CODA mit Standardcodes wie DLR-TAU und CFL3D und demonstriert so die Wirksamkeit des nichtlinearen Positivitätsfilters bei der Konvergenz. Der Text schließt mit Einblicken in das Zusammenspiel zwischen Numerik und Realisierbarkeitsbeschränkungen und betont die Notwendigkeit von Best-Practice-Richtlinien für robuste und präzise Ergebnisse in komplexen industriellen Konfigurationen.

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   12. Stochastic Modeling of Intermittent Inflow Turbulence in the Atmospheric Boundary Layer

       Marten Klein, Christoph Glawe, Mark Simon Ehlert, Juan Alí Medina Méndez, Heiko Schmidt

       Dieses Kapitel befasst sich mit der stochastischen Modellierung intermittierender Zuflussturbulenzen in der atmosphärischen Grenzschicht, einem entscheidenden Aspekt für die Vorkonstruktion von Windkraftanlagen. Der primäre Fokus liegt auf der Beurteilung, ob ein eindimensionales Modell Intermittenzmerkmale, die sich aus vertikal-zeitlichen Korrelationen ergeben, effektiv erfassen kann. Das Kapitel beginnt mit einem Überblick über die Formulierung des Modells, den Fallaufbau und die Modellkalibrierung und vermittelt ein umfassendes Verständnis der angewandten Methodik. Anschließend werden die wichtigsten Ergebnisse und Diskussionen präsentiert, wobei die Fähigkeit des Modells, verschiedene Turbulenzintensitäten zu simulieren, und sein Potenzial zur Verbesserung der Abschätzungen der Windlast hervorgehoben werden. Das Kapitel untersucht auch die zeitliche Entwicklung der momentanen Windgeschwindigkeitsprofile und die Intermittenzeffekte, die in den simulierten Zeitreihen beobachtet werden. Zur Veranschaulichung der Leistungsfähigkeit des Modells und der untersuchten physikalischen Phänomene werden visuelle Hilfsmittel wie Diagramme und Diagramme verwendet. Die abschließenden Bemerkungen betonen das Potenzial des Modells zur Verbesserung des Windenergieanlagenbaus und schlagen Bereiche für zukünftige Forschung vor, wie die Datenassimilierung und die Einbeziehung von Schichteffekten.

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   13. Modification of the SSG/LRR- Model for Separated Shear Flows and Prospects for Future Improvements

       Tobias Knopp

       Dieses Kapitel befasst sich mit der Modifikation des SSG / LRR-Modells für getrennte Scherflüsse und behandelt zwei Schlüsselprobleme: die Vorhersage der Rückbindung von Strömungen zu weit flussabwärts und die Untervorhersage des Einsetzens der Flussumkehr in Nachströmungen, die ungünstigen Druckgradienten ausgesetzt sind. Der Text untersucht den Einsatz von Grenzschichtsensoren, um Bereiche getrennter Strömung zu identifizieren und diskutiert Modifikationen der Koeffizienten des Modells, um die Genauigkeit zu verbessern. Darüber hinaus hebt das Kapitel das Potenzial zukünftiger Verbesserungen in RANS-Modellen für Grenzschichtflüsse hervor, einschließlich der Berücksichtigung von Reynolds-Zahleneffekten und Nichtgleichgewichtseffekten. Das ultimative Ziel besteht darin, die Vorhersagefähigkeiten von RANS-Modellen für Luftfahrtströme zu verbessern, die von statistisch beständigen turbulenten Grenzschichtströmungen dominiert werden und als Wandmodell für DES dienen. Das Kapitel berührt auch das Thema der Relaminarisierung und ihre Auswirkungen auf die Turbulenzmodellierung. Insgesamt bietet der Text einen umfassenden Überblick über die aktuellen Herausforderungen und Zukunftsperspektiven im Bereich der Turbulenzmodellierung für luftfahrttechnische Anwendungen.

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   14. Assessment and Adaptation of Transition Criteria for Non-Self-Similar Flows

       Normann Krimmelbein, Sebastian Helm, Andreas Krumbein

       Dieses Kapitel vertieft sich in die Bewertung und Anpassung von Übergangskriterien für nicht selbstähnliche Ströme, wobei der Schwerpunkt auf der Genauigkeit von Kriterien der Linearen Stabilitätstheorie (LST) liegt. Die Studie bewertet das Simple-AHD-Übergangskriterium, das sich für ein breites Spektrum von Strömungsbedingungen als wirksam erwiesen hat, aber Mängel bei nicht selbstähnlichen Strömungen aufweist. In diesem Kapitel wird das Konzept effektiver Druckgradientenparameter vorgestellt, um Saug- und Blaseffekte besser zu berücksichtigen. Außerdem wird die Verwendung des Formfaktors H in Übergangskriterien untersucht und verschiedene Ansätze wie das Drela-Giles-Kriterium verglichen. Das Kapitel unterstreicht die Bedeutung nicht-lokaler Operationen zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit und schlägt Mittelungstechniken für Parameter vor, die die geradlinige Annäherung der N-Faktor-Hüllkurven definieren. Durch detaillierte Vergleiche mit den LST-Ergebnissen zeigt das Kapitel signifikante Verbesserungen bei der Vorhersage des Übergangs für nicht selbstähnliche Ströme. Die Ergebnisse bieten praktische Lösungen zur Verbesserung von Vorhersagemodellen für den Übergang und machen sie zu einer wertvollen Ressource für Fachleute in der Strömungsdynamik und Luft- und Raumfahrttechnik.

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   15. Critical N-Factor Behavior in HLFC Applications

       Heinrich Lüdeke, Paul Weigmann, Richard von Soldenhoff, Konstantin Thamm

       In diesem Kapitel wird das kritische N-Faktor-Verhalten bei der hybriden Laminar Flow Control (HLFC) untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Durchführbarkeit der Absaugung mehrerer Grenzschichten an Oberflächen mit null Druckgefälle liegt. Die Studie umfasst Experimente im Windkanal der DNW-NWB-Anlage, bei denen verschiedene Konfigurationen mehrerer Saugplatten auf einer fünf Meter langen Platte verwendet wurden. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört die Ausdehnung laminarer Zonen bei hohen Reynolds-Zahlen, wobei bis zu drei aufeinanderfolgende Saugplatten eine signifikante Übergangsverzögerung aufweisen. Die Forschung unterstreicht den potenziellen Einsatz von 3D-gedruckten Saugplatten und die Bedeutung der Oberflächenrauheit für den optimalen laminaren Fluss. Das Kapitel untersucht auch die entscheidenden N-Faktoren für unterschiedliche Saugraten und bietet Einblicke in die Wirksamkeit verschiedener Saugflächenkonzepte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mehrere Saugzonen den Laminarfluss am Rumpf des Flugzeugs effektiv aufrechterhalten können, was einen vielversprechenden Ansatz zur Verringerung des Luftwiderstands und der Treibstoffeffizienz im modernen Flugzeugdesign bietet.

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   16. A Tracer Particle’s Path through the Turbulent Energy Spectrum

       Michael Mommert, Theo Käufer, Christian Cierpka, Claus Wagner

       Dieses Kapitel taucht ein in die komplexe Welt turbulenter Energiespektren und konzentriert sich auf die Energiekaskade in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion. Die Studie stellt einen bahnbrechenden Ansatz zur Analyse der Lagrange'schen Messungen vor, indem die geometrischen Eigenschaften von Teilchenbahnen, insbesondere Krümmung, genutzt werden, um ein krümmungsbasiertes Energiespektrum zu konstruieren. Diese Methode umgeht die Herausforderungen durch nicht periodische Bereiche und falsche Effekte bei Fourier-Transformationen. Die Forschung setzt Physik-Informed Neural Networks (PINNs) ein, um Lagrange'sche Daten in eine dichte, homogene Euler' sche Stichprobe umzuwandeln, was weitere Analysen wie Zeitableitung und Rückprojektion in den physikalischen Bereich ermöglicht. Der Versuchsaufbau umfasst Partikelbildthermometrie (PIT) und Lagrangian Particle Tracking (LPT), um kombinierte Temperatur- und Geschwindigkeitsdaten in einer sechseckigen Rayleigh-Bénard-Konvektionszelle zu erfassen. Die Studie assimiliert die gemessenen Daten erfolgreich in ein Eulerisches Raster mit Hilfe einer PINN, die darauf trainiert ist, Lösungen der Boussinesq-approximierten, inkomprimierbaren Navier-Stokes-Gleichungen zu annähern. Die Ergebnisse zeigen kohärente Strukturen in der turbulenten Strömung und geben Einblicke in die mittlere zeitliche Entwicklung der Strömung. Das krümmungsbasierte Energiespektrum hält sich an bekannte theoretische Erwartungen, wie etwa die Steigung des Trägheitsbereichs, und bietet eine neue Perspektive auf turbulente Energieübertragungen. Die Studie schließt mit der Hervorhebung des Potenzials dieser Werkzeugkette, neue Erkenntnisse über turbulente schwimmtreibungsgetriebene Strömungen zu gewinnen und die zugrunde liegende Mechanik unterschiedlicher Strömungssysteme bei Rayleigh-Bénard-Konvektion zu verstehen.

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   17. Revisiting Near-Wall Modeling of Fully Developed Turbulent Flow in Concentric Annuli

       Nishidh Shailesh Naik Burye, Juan Alí Medina Méndez, Marten Klein, Heiko Schmidt

       Dieses Kapitel befasst sich mit der Komplexität der Modellierung turbulenter Strömungen in konzentrischen Annuli, einem Thema von erheblicher industrieller Relevanz. Die Studie untersucht erneut die Anwendung von Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) -Modellen und beleuchtet die Herausforderungen bei der präzisen Erfassung des Verhaltens in Wandnähe, insbesondere an der inneren Zylinderwand. Durch eine Reihe von Simulationen mit OpenFOAM und einem benutzerdefinierten 1-D RANS-Solver wird die Leistung verschiedener RANS-Modelle, einschließlich k-ε, k-ω und k-ω SST-Modelle, bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass herkömmliche Modelle Schwierigkeiten haben, das korrekte mittlere Geschwindigkeitsprofil zu reproduzieren, insbesondere an der Innenwand, trotz der Verwendung von Wandfunktionen und der Auflösung der zähflüssigen Unterschicht. Die Studie untersucht auch den Einfluss unterschiedlicher Dämpfungsfunktionen und Randbedingungen auf die Genauigkeit der Modelle. Die Schlussfolgerung unterstreicht die Notwendigkeit, bestehende RANS-Modelle zu modifizieren, um ihre Vorhersagefähigkeiten für turbulente ringförmige Rohrströmungen zu verbessern. Dieses Kapitel bietet wertvolle Erkenntnisse für Fachleute, die industrielle Prozesse optimieren möchten, darunter Koaxialwärmetauscher, ringförmige Strömungen von Düsenmotoren und andere Anwendungen, bei denen eine genaue Modellierung turbulenter Strömungen von entscheidender Bedeutung ist.

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   18. 100 Years of Prandtl’s Mixing Length: Falling Short for Aerodynamic Analysis?

       Cord Rossow

       Dieses Kapitel vertieft die Geschichte und den aktuellen Zustand algebraischer Turbulenzmodelle ohne Gleichung, insbesondere der Baldwin-Lomax- und Cebeci-Smith-Modelle, die in der aerodynamischen Analyse weit verbreitet sind. Der Text untersucht die Grenzen dieser Modelle und schlägt einen neuen Ansatz vor, der auf Prandtls Mixing Length-Hypothese beruht und darauf abzielt, die Vorhersagequalität und numerische Robustheit zu verbessern. Das Kapitel vergleicht die Leistungsfähigkeit des neuen Modells mit etablierten Modellen wie dem Spalart-Allmaras-Modell anhand verschiedener Testfälle, einschließlich des Überflusses über eine flache Platte, Tragflächen und Tragflächen. Die Ergebnisse zeigen, dass das neue Modell eine vergleichbare Genauigkeit wie moderne Modelle erreichen kann, ohne dabei die Einfachheit und Rechenleistung algebraischer Modelle zu beeinträchtigen. Zusätzlich wird in diesem Kapitel die Implementierung eines Scherspannungssensors diskutiert, um die Vorhersage von Grenzschichtgeschwindigkeitsprofilen und schockinduzierter Trennung zu verbessern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Überprüfung und Weiterentwicklung klassischer Modelle immer noch wettbewerbsfähige Ergebnisse in der zeitgenössischen aerodynamischen Analyse liefern und eine vielversprechende Alternative zu komplexeren Turbulenzmodellen bieten kann.

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   19. Investigation of Different Transition Models under Disturbed Inflow over an Airfoil

       Berk Sarikaya, Cornelia Grabe, Thorsten Lutz

       Dieses Kapitel geht der Untersuchung verschiedener Übergangsmodelle unter gestörtem Zufluss über ein Tragflächenprofil nach und konzentriert sich auf die Auswirkungen von Propellerwellen auf Flügelgrenzschichten. Die Studie repliziert einen Testfall aus der Literatur, der eine rotierende Stange vor einem Tragflächenprofil umfasst, um die Auswirkungen von Nachwirkungen auf den Grenzschichtübergang zu verstehen. Zwei Übergangsmodelle, das DLR 1-Gleichungsmodell und das Langtry-Menter 2-Gleichungsmodell, werden eingesetzt, um Übergangs- und Grenzschichtrelaxation vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Modelle die beruhigte Region präzise vorhersagen, wobei ein verzögerter Übergang bis zu 75-80% stromabwärts beobachtet wird. Die Studie vergleicht auch die Vorhersagen der Modelle mit experimentellen Daten und hebt die Stärken und Grenzen der einzelnen Modelle hervor. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass beide Modelle für die Vorhersage der Grenzschichtentspannung geeignet sind, wobei das DLR-Modell Potenzial für zukünftige Anwendungen in Propellergehäusen aufweist. Das Kapitel bietet eine umfassende Analyse der Wechselwirkung zwischen Nachlauf- und Grenzschichten und bietet wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Fließtrennung und Schleppreduzierung.

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   20. Numerical Modelling of Boundary Layer Transition on a High-Aspect-Ratio Backward-Swept Laminar Wing Considering Different Mass Cases

       Martin Schmalz, Michael Fehrs, Markus Ritter

       Dieses Kapitel vertieft sich in die numerische Modellierung des Grenzschichtübergangs auf einem rückwärts gefegten Laminarflügel mit hohem Aspektverhältnis unter Berücksichtigung unterschiedlicher Massenfälle. Die Studie konzentriert sich auf die Auswirkungen elastischer Flügeldeformationen auf den laminar-turbulenten Übergang, der für die Verbesserung der aerodynamischen Effizienz und die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von entscheidender Bedeutung ist. Zu den zentralen Themen zählen die Bewertung struktureller Deformationen, die aerodynamische Modellierung und die Bewertung von Übergangsorten unter verschiedenen Massenszenarien. Die Ergebnisse zeigen die Robustheit des natürlichen Laminar-Flow-Designs auch bei erheblichen Flügelumlenkungen und unterstreichen die Bedeutung der Berücksichtigung unterschiedlicher Flugbedingungen und Massenfälle bei der Strukturoptimierung. Das Kapitel kommt zu dem Schluss, dass zusätzliche aeroelastische Beschränkungen für Versteifungszwecke nicht erforderlich sind, aber weitere Studien werden empfohlen, um zusätzliche Off-Design-Punkte und die Anwendung von CFD-Belastungen bei der Strukturoptimierung zu untersuchen.

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   21. Quantitative Comparison of Results from DNS and Nonlinear Parabolized Stability Equations for the Subharmonic Transition Process

       Francesco Tocci, Stefan Hein, Philip Ströer

       Dieses Kapitel befasst sich mit dem quantitativen Vergleich von Direkter Numerischer Simulation (DNS) und Nichtlinearen Parabolisierten Stabilitätsgleichungen (NPSE) zur Modellierung des subharmonischen Übergangsprozesses in inkompressiblen Grenzschichtflüssen. Die Studie konzentriert sich auf den H-Typ-Übergangsmechanismus, bei dem Störungen mit der doppelten Periode und Wellenlänge grundlegender Tollmien-Schlichting-Wellen (TS) zu einem gestaffelten Muster von -Wirbeln führen. Die Forschung verwendet das Experiment von Kachanov und Levchenko als Benchmark, wobei DNS und NPSE verwendet werden, um den Übergangsprozess zu modellieren. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass NPSE die räumliche Entwicklung von Störungen bis zu ihrer Konvergenzgrenze präzise erfasst und eine enge Übereinstimmung mit den DNS-Ergebnissen aufweist. Der Vergleich erstreckt sich auf das stark nichtlineare Regime und bietet Einblicke in die Zuverlässigkeit von NPSE für diese Szenarien. Die stromlinienförmige Entwicklung des Hautreibungskoeffizienten unterstreicht die Fähigkeit der NPSE, den einsetzenden Übergang qualitativ zu erfassen, trotz geringfügiger Abweichungen beim mittleren Verzerrungsmodus des Flusses. Das Kapitel kommt zu dem Schluss, dass NPSE eine rechnerisch effiziente Alternative zu DNS zur Modellierung des H-Typ-Übergangs darstellt, während DNS für die Lösung hochgradig nichtlinearer Effekte weiterhin von entscheidender Bedeutung ist.

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   22. Validation and Analysis of the Reynolds-Stress Model SSG/LRR- for Wall-Bounded Flows with Mean-Streamline Curvature

       Srinivas L. Vellala, Tobias Knopp

       Dieses Kapitel vertieft die Validierung und Analyse des Reynolds-Spannungsmodells SSG / LRR- für turbulente Grenzschichtströme entlang von Wänden mit konkaver und konvexer Oberflächenkrümmung. Die Studie konzentriert sich auf die Leistung verschiedener RANS-Modelle, einschließlich SA-RC, SST-RC und SSG / LRR-, bei der Vorhersage von Strömungseigenschaften. Zu den Schlüsselthemen gehören die numerische Lösungsmethode, die Modellierung der Turbulenzen im zweiten Moment, die Gestaltung der Geometrie und CFD-Maschen. Der Validierungsansatz umfasst den Vergleich von Modellvorhersagen mit experimentellen Daten aus historischen Studien von Gillis & Johnston und So & Mellor. Das Kapitel untersucht auch die Sensitivität von Modelldetails wie Umverteilungs- und Diffusionsmodellen, um deren Auswirkungen auf Strömungsprognosen besser zu verstehen. Die Ergebnisse unterstreichen die Effektivität des SSG / LRR-Modells bei der Erfassung der Effekte der mittleren Stromlinienkrümmung und liefern wertvolle Erkenntnisse für Fachleute auf dem Gebiet der computergestützten Strömungsdynamik.

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   23. Dynamic Mode Decomposition of Noisy Flow Data

       Andre Weiner, Janis Geise

       Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Dynamic Mode Decomposition (DMD) -Technik, einer beliebten Methode zur Analyse komplexer Flüssigkeitsströme. Der Artikel geht erneut auf theoretische Aspekte ausgewählter DMD-Varianten ein und führt einen verbesserten Optimierungsansatz ein, um kohärente Dynamik und Rauschen zu identifizieren. Numerische Experimente mit dem inkomprimierbaren 2D-Fluss an einem Zylinder werden durchgeführt, um die verbesserte Robustheit und Genauigkeit der vorgeschlagenen DMD-Variante zu demonstrieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die verbesserte DMD-Variante herkömmliche Methoden übertrifft, insbesondere bei Lärm. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die möglichen Anwendungen und zukünftigen Richtungen dieser verbesserten DMD-Technik.

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