Berechnung instationärer Strömungsprobleme mit hoher Genauigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der vorliegenden ersten Phase des Projektes „Berechnung instationärer Strömungsprobleme mit hoher Genauigkeit“ wurde ein CFD Löser für die Berechnung turbulenter Strömungen mit Hilfe von Detached Eddy Simulation (DES) fortentwickelt. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag dabei auf der performanten und robusten Umsetzung des DES Ansatzes. So wurde das bisher vorhandene Programm durch grundlegende Umstrukturierungsmaßnahmen leistungsmäßig erheblich verbessert. Vor allem bei expliziter Zeitdiskretisierung zeigt sich eine der Stärken des DG Verfahrens, die hervorragende Paralleleffizienz, die sich für die modernen Höchstleistungsrechnerarchitekturen mit weiter steigender Anzahl an Cores ausgezeichnet eignet. Die parallele Lösung der bei impliziter Zeitintegration aus der Newtonmatrix entstehenden linearen Gleichungssysteme konnte zwar erfolgreich umgesetzt werden, ihre effiziente Behandlung vor allem bei massiv parallelen Rechnungen bleibt jedoch nicht abschließend geklärt. Ebenfalls ein schwieriger Teil des Projekts war eine robuste Implementierung des Turbulenzmodells. Durch die Einführung einer künstlichen Viskosität und die Begrenzung von Produktions- und Destruktionsterm im Turbulenzmodell ist das Verfahren jedoch inzwischen auch sehr stabil, wie sich anhand der Simulation unterschiedlicher Validierungsfälle zeigte. Diese weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen und numerischen Referenzlösungen auf und stellen damit auch klar, dass die vorgenommenen Stabilisierungsmaßnahmen nicht die Lösung beeinträchtigen. Für das DES Modell wurde des weiteren eine Anpassung für Elemente höherer Ordnung vorgenommen, die Simulation einer zurückspringenden Stufe zeigte dadurch deutliche Verbesserungen. Durch eine Schnittstelle zu unserem institutseigenen Akustikpostprocessing Tool ACCO war es möglich, eine akustische Auswertung einer laminaren Zylinderumströmung durchzuführen, die Dipollärm als Hauptursache für die Schallausbreitung am Zylinder identifizierte. Bedauerlicherweise konnten die Akustikrechnungen am FREQUENZ-Profil wegen Rechenzeitbeschränkungen nicht mehr mit aufgenommen werden. Aus dem EU-Projekt IDIHOM unter Federführung des DLR und Beteiligung insbesondere der Arbeitsgruppen von Prof. Bassi (Bergamo) und Prof. Rebay (Brescia) mit ihrem reichen Erfahrungsschatz auf dem Gebiet der Discontinous-Galerkin-Verfahren konnten Synergieeffekte gewonnen werden. In diesem Projekt werden im kommenden Jahr Rechnungen am isolierten Hubschrauberrotor erfolgen und weitere substanzielle Performanceverbesserungen bei solchen ingenieurtechnisch relevanten Anwendungsfällen sind durch die geplanten Mehrgitteransätze bei der impliziten Zeitintegration zu erhoffen. Ehrlicherweise muss konstatiert werden, dass die Rechenzeiten von DG im Vergleich zu über Jahrzehnte optimierten Finite-Volumen-Strömungslösern wie FLOWer noch erheblichen Rückstand aufweisen. Es zeigt sich auch immer wieder, dass zwar manche Erfahrungen mit klassischen Verfahren gut übertragen werden können, an anderen Stellen jedoch auch etablierte Vorgehensweisen neu überdacht werden müssen. Dies konnte beispielsweise bei der Definition der „effektiven Maschenweite“ im DES-Modell festgestellt werden, und auch die Lösung des bei der impliziten Zeitintegration entstehenden Gleichungssystems stellt neue Herausforderungen. Die Aufstellung und Lösung sind wegen der ungünstigen Kondition schwierig. Insbesondere die massiv parallele Vorkonditionierung erfordert wegen der ganz unterschiedlichen Charakteristika der Lösung bei verschiedenen Problemen ganz neue Ideen. Mit zunehmendem Genauigkeitsbedarf wird sich jedoch die durch DG möglich gemachte höhere Ordnung zwangsläufig immer durchsetzen, und auch bei den absoluten Rechenzeiten erwarten wir noch erhebliches Entwicklungspotenzial. Nicht zuletzt ist das auch ein Ziel des beantragten zweiten Teils des Projektes, in dem Dynamic-Stall-Phänomene genauer untersucht werden sollen und auch die Eignung für die langfristig geplanten Hubschrauberrotorsimulationen weiter vorangetrieben wird. Hierfür sollen verformbare Netze und überlappende Gitter (Chimera-Technik) eingebaut werden, so dass gegen Projektende ein isolierter elastischer Rotor im Vorwärtsflug simuliert werden kann, der die am rücklaufenden Blatt auftretenden Dynamic-Stall-Effekte im Rahmen der gewählten Turbulenzmodellierung korrekt wiedergibt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Verwendung von Detached Eddy Simulationsmodellen mit dem Discontinuous Galerkin Verfahren, 18. DGLR-Fach-Symposium der STAB, Stuttgart, 2012
Michael Wurst, Manuel Keßler und Ewald Krämer
