High Performance Rechner-Cluster
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Umströmung einer Platte bei Re=10.000 Größere Insekten wie beispielsweise Libellen bewegen sich zeitweise im Gleitflug bei Reynolds-Zahlen bis 10.000. Die Flügelgeometrie lässt sich dabei in einer ersten Näherung mit der einer Platte approximieren. Zu einem ersten Verständnis der Flügelumströmung erfolgt die direkte numerische Simulation einer Plattenumströmung bei einer Reynold-Zahl von 10.000 und einem Anstellwinkel von 3°. Die auf die Plattenlänge bezogene Dicke der Platte beträgt 0,01und die bezogene Tiefe 0,5. Als Software dient der finite Volumen Code OpenFOAM 1.6. Die maximale Anzahl an Gitterzellen liegt bei 27 Mio. Die Überprüfung der Ergebnisse erfolgt anhand einer Gitterstudie im zweidimensionalen Raum sowie durch Vergleich mit experimentellen Daten zu Auftriebs- und Widerstandsbeiwert. Die zeitgemittelten Ergebnisse der dreidimensionalen Berechnung zeigen eine laminare Ablöseblase, welche sich über die erste Hälfte der Plattenoberfläche erstreckt. Zeitaufgelöst tritt an der Vorderkante Strömungsablösung und die Bildung einer freien Scherschicht auf. Weiter stromabwärts wird diese instabil unter Bildung von Kelvin-Helmholtz Wirbeln, welche dann im Durchmesser zunehmen und teilweise paarweise miteinander verschmelzen. Zugleich tritt eine dreidimensionale Instabilität auf, durch die haarnadelartige Wirbel entstehen. Bis zur Hinterkante der Platte sind die Kelvin-Helmholtz Wirbel nahezu vollständig degradiert. Die Wirbelstrukturen weisen auf eine transitionelle Strömung hin. Das zeitgemittelte Geschwindigkeitsprofil bei 80% der Plattenlänge zeigt einen ausgeprägten logarithmischen Bereich. Im Vergleich zum logarithmischen Wandgesetz liegt C+ mit 1,27 deutlich niedriger. Das Energiespektrum verfügt nur über einen kleinen Trägheitsbereich. Diese beiden Beobachtungen lassen sich auf den transitionellen Charakter der Strömung zurückführen. Funktionalität der Hinterkante bei Libellen Verschiedene Libellen verfügen an der Hinterkante über eine Aufkantung, welche herzartige Strukturen aufweisen, und deren Funktionalität bisher ungeklärt ist. Dazu erfolgt eine numerische Simulation mit einem LES Turbulenzmodell (Code: OpenFoam 1.6.x) an drei Platten (Reynolds-Zahl =10.000, Anstellwinkel 3°) mit einer geraden Hinterkante, einer Hinterkante mit Aufkantung sowie einer sinusförmiger Aufkantung. Letztere approximiert die herzartigen Strukturen. Die Ergebnisse der dreidimensionalen, instationären Berechnungen zeigen bei der Platte mit sinusförmiger Aufkantung den höchsten zeitgemittelten Auftriebsbeiwert, gefolgt von gerader Hinterkante und der Hinterkante mit Aufkantung. Den minimalen mittleren Widerstandsbeiwert weist die Platte mit gerader Hinterkante auf gefolgt von welliger und gerader Aufkantung. Beide Beiwerte zeigen für die gerade Aufkantung die größten Standardabweichungen. Die Ursache liegt in einer Karmanschen Wirbelstraße, welche sich an der Aufkantung ausbildet. Dagegen entstehen bei der sinusförmigen Geometrie in den Tälern Freistrahlen, welche im Nachlauf ein instationäres Verhalten zeigen und damit der Bildung einer Karmanschen Wirbelstraße entgegenwirken. Die Aufkantung dient wahrscheinlich der mechanischen Stabilisierung der Hinterkante. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die herzartigen Strukturen die Ausbildung einer Karmanschen Wirbelstraße und die damit einhergehenden Schwankungen von Auftriebs- und Widerstandsbeiwert unterbinden. Transition bei der Umströmung zylindrischer Körper Diese Projekt widmet sich der Umströmung ausgewählter zylindrischer Körper bei kleinen Reynolds-Zahlen Re = 300...600 unter Einsatz der direkten numerischen Simulation (Code: OpenFOAM 2.0.x). Als Körper dienen der Zylinder mit rundem und elliptischem Querschnitt sowie eine Vibrisse, wie sie bei Seehunden zu beobachten sind. Die Ergebnisse der Zylinderumströmung bei rundem Querschnitt zeigen die typischen Strömungsstrukturen, wie sie bei Modus B auftreten. Als besonders interessant erweisen sich die Wirbel in Hauptströmungsrichtung (B-Wirbel). Diese entstehen aus drehungsbehaftetem Fluid der Karman-Wirbel an dessen Rückseite in direkter Nähe zur Abrissstelle der freien Scherschicht. Die B-Wirbel induzieren in den Karman-Wirbeln Gegenbewegungen und bewirken, dass diese in Spannweitenrichtung eine wellige Form annehmen. Mit den B-Wirbeln setzt der Transitionsprozess von laminar zu turbulent in der Nachlaufströmung ein. Die damit verbundene dreidimensionale Strömung führt im Vergleich zu einer zweidimensionalen zu einer deutlichen Herabsetzung von Widerstandsbeiwert und RMS-Auftriebsbeiwert. Dieser verstärkt sich mit wachsender Reynolds-Zahl, was auf die Zunahme der dreidimensionalen Strömungsbewegungen zurückzuführen ist. Bei der Ellipse setzt die dreidimensionale Strömung zwischen Re = 300 und 450 ein, was aus dem schlankeren Körper resultiert. Die Strömungsstrukturen sind denen der Zylinderumströmungen ähnlich. Widerstandsbeiwert und RMS-Auftriebsbeiwert liegen erwartungsgemäß unter denen des runden Zylinders. Die Nachlaufströmung bei der Vibrisse weist wirbelartige Strukturen in Spannweitenrichtung auf, welche alternierend an Ober- und Unterseite ablösen. Infolge der dreidimensionalen Kontur weisen diese im Vergleich zu den Karman-Wirbeln markante Abweichungen von der Zylinderform auf und dissipieren im Vergleich zu den beiden ersten Geometrien innerhalb kurzer Distanzen im Nachlauf des Körpers. Infolge der starken dreidimensionalen Strömung sinkt der RMS-Auftriebsbeiwert gegenüber dem der Ellipse stark ab, während der Verlauf des Widerstandsbeiwertes mit der Reynolds-Zahl nahezu unverändert bleibt. Reduzierung des Widerstandsbeiwertes von Sattelaufliegern durch Vorbilder aus der Natur Die Natur bietet eine Fülle von Lösungen für verschiedenste technische Fragestellungen an. Im Rahmen dieses Projektes gilt es, den aerodynamischen Widerstandsbeiwert eines Sattelzuges zu reduzieren. Dabei liegt der Fokus auf dessen grundsätzliche Form, welche als Basis für weitere Entwicklungen dienen soll. Als Entwicklungswerkzeug findet die numerische Strömungssimulation Verwendung. Die Wahl des biologischen Vorbildes fällt auf den Kurzflossengrindwal. Dieser bewegt sich wie auch Sattelzüge bei Reynolds-Zahlen um Re=10^7. Die Abstrahierung der Form führt auf eine zweidimensionale Grundform. Hierfür zeigen die Strömungsberechnungen, dass mit einer konvergenten Formgebung zum Heck hin eine erhebliche Reduzierung des Widerstandsbeiwertes einhergeht. So lässt sich eine Verringerung des Widerstandbeiwerte von 63 % erreichen, was im Vergleich nur zu einer Abnahme der Lateralfläche von 7 % führt. Ausgehend von der zweidimensionalen Form erfolgt die dreidimensionale Berechnung mit einem Modell, dass die Trennung von Zugmaschine und Auflieger, Motorraumdurchströmung und rotierende Räder aufweist. Der damit erzielte Widerstandsbeiwert von 0,418 liegt deutlich unter denen üblicher Sattelzüge. Da Seitenverkleidungen, Spoiler und Oberflächenstrukturierungen bisher keine Berücksichtigung fanden, besteht noch Potential der Reduzierung. Schubgenerierung nach Vorbild des Aals am Beispiel einer undulierenden Platte Aale faszinieren nicht nur durch ihre elegante Art sich fortzubewegen sondern auch durch die langen Strecken, die sie u.a. mit 5000 - 7500 km von Europa in die Sargassosee zurücklegen. Die Generierung des Schubs realisieren sie mittels einer undulatorischen Bewegung: Eine Transversalwelle läuft vom Kopf bis zum Schwanz mit einer wachsenden Amplitude. In der Literatur gibt es verschiedene Untersuchungen zu Umströmungen von undulierenden Platten. Diese Arbeit widmet sich der zweidimensionalen Strömung um eine undulierenden Platte mit einer dem Aal ähnlichen Kinematik bei Reynolds-Zahlen von Re = 10^3 - 6 10^4. Hierzu findet die direkte numerischer Strömungssimulation Verwendung. Der Fokus liegt auf einem tieferen Verständnis des Mechanismus der Schubgenerierung in Verbindung mit dem Einfluss der Reynolds-Zahl. Die Ergebnisse zeigen einen Nettoschub ab Re = 3 x10^4, Schubgenerierung infolge Druck, Widerstandsgenerierung durch viskose Schubspannungen und einen um den konstanten Faktor 1,3 höheren Schubspannungsbeiwert im Vergleich zur statischen, längs angeströmten Platte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010) Divergent trailing edge of dragonfly - aerodynamic characterization for gliding flight. Society for Experimental Biology, Annual Main Meeting, 30.06.-03.07.2010, Prague
Baars A, Sonntag R, Kesel AB
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(2011) Aerodynamische Effekte der Hinterkante: Biologie & Technik. In Kesel AB, Zeheren D (Eds) Bionik: Patente aus der Natur, Tagungsband 5. Bionik Kongress, Bremen, 109-119, ISBN 978-3-00-033467-2
Baars A
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(2011) Transitional flow over a flat plate at Re = 10000 and small inclination. 13th European Turbulence Conference, 12.-15.09. 2011, Warsaw
Baars, A
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(2012) Fluid dynamic characterization of an undulating flat plate at different Reynolds numbers. Developments in mechanical engineering, Vol. 5, Gdansk University of Technology Publishers, 1-8, ISBN 978-837348-454-2
Baars, A, Bomke P
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(2012) Umströmung von zylindrischen Körpern in Natur und Technik bei kleinen Reynolds-Zahlen. In Kesel AB, Zeheren D (Eds) Bionik: Patente aus der Natur, Tagungsband 6. Bionik Kongress, Bremen, 96-106, ISBN 978-3-00-040885-4
Matz D, Baars A
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(2012) Vortex structures behind an harbor seal vibrissa - a numerical study. Proc. XIIIth Bilateral Czech/German Symposium, University Centre Telc, Czech Republic, 05.-08.06.2012, 103106, CTU - Publishing House, Prague ISBN 978-80-01-05062-0
Matz D, Baars A
