Folgeantrag: Direkte Numerische Simulation einer turbulenten Wandgrenzschicht bei hoher Reynoldszahl

• Antragsteller: Dr.-Ing. Christoph Wenzel
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458524799

In diesem Folgeantrag wird die Verlängerung des DFG-Projektes ‘Direkte numerische Simulation einer turbulenten ebenen Plattengrenzschicht bei hoher Reynoldszahl’ um weitere 21 Monate angestrebt. In der ersten Förderperiode hat die Forschungsgruppe des IAGs den Stand des hauseigenen DNS-Lösers NS3D und dessen Zusatz-Programme erfolgreich weiterentwickelt, so dass die erste DNS einer kompressiblen turbulenten Plattengrenzschicht bei M=2 gestartet wurde, die eine Reynoldszahl (Re) von Re_\theta=8200 (Re_\tau=1400) ausgehend von einer niedrigen, nahezu transitionellen Reynoldszahl von Re_\theta=300, erreicht; diese hat bisher ca. 95% ihrer geplanten Zeitschritte abgeschlossen. In einer Veröffentlichung von Ceci et al. aus dem Jahr 2022 wurde bestätigt, dass die verwendete Einströmmethode, d. h. die Anwendung synthetischer Turbulenz bei sehr niedrigem Re, gefolgt von einem durchgängigen und vollständig aufgelösten Rechengebiet, tatsächlich als die einzige Methode angesehen werden kann, die äußerst zuverlässige DNS-Ergebnisse in allen Messgrößen erzeugt. Die vorliegende DNS, die früh zu Beginn der nächsten Förderperiode abgeschlossen sein wird, wird daher den ersten zuverlässigen Datensatz für kompressible turbulente Grenzschichten mit hohen Re-Zahlen liefern. Während die eigentliche Motivation hinter der Berechnung der DNS die Erforschung der Turbulenzphysik ist, waren die wesentlichen Herausforderungen bei der Realisierung dieser Simulation Aspekte des High Performance Computings (HPC) auf voller Maschinengröße, was die direkte Zusammenarbeit mit HPC-Experten erforderte. Mehrere Elemente des NS3D-Lösers, seines I/O-Systems und seiner Postprocessing-Plattform wurden daher speziell weiterentwickelt, um in der Lage zu sein, Daten in extremem Umfang zu verarbeiten, um das aktuelle Projekt zu erfüllen. Folglich sehen die Antragsteller in der erfolgreichen Durchführung der DNS einen Beleg dafür, dass die Ziele der ersten Förderperiode erfolgreich erreicht wurden. Erste Ergebnisse der DNS zeigen deutlich das Einsetzen des angestrebten hohen Re-Verhaltens, nämlich die spektrale Trennung der dominanten turbulenten Skalen. Der Forschungsschwerpunkt in der zweiten Förderperiode liegt daher auf der physikalischen Untersuchung von Strömungen bei hohen Re-Zahlen. Die DNS-Daten werden ausführlich publiziert, zusammen mit einem Datenkatalog, der der Turbulenzforschungsgemeinschaft öffentlich zugänglich gemacht werden wird. Zu den zu untersuchenden physikalischen Aspekten gehören die Eigenschaften der großen Turbulenzstrukturen, die - einzigartig für die gegenwärtige DNS - von sehr niedrigen Re bis zu sehr hohen Re über einen kontinuierlichen Bereich verfolgt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen