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Automatische Transitionsvorhersage für dreidimensionale Flugzeugkonfigurationen mit dem DLR TAU -Code. Automatic Transition Prediction for Three-Dimensional Aircraft Configurations using the DLR TAU Code.

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Presentation Transcript

  1. Automatische Transitionsvorhersage für dreidimensionale Flugzeugkonfigurationenmit dem DLR TAU-Code Automatic Transition Prediction for Three-Dimensional Aircraft Configurations using the DLR TAU Code Andreas Krumbein & Normann KrimmelbeinDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institute of Aerodynamics and Flow TechnologyC²A²S²E Center for Computer Applications in AeroSpace Science and EngineeringGéza SchraufAirbus, Aerodynamics Domain

  2. Überblick Überblick • Einleitung • Struktur der Transitionsvorhersagekopplung • Sensitivitäten der Kopplungsstruktur • generische wing body-Transportflugzeug-Konfiguration • TELFONA pathfinder wing body-Konfiguration • Zusammenfassung • Ausblick

  3. Einleitung Einleitung • Anforderungen aus Industrie und Forschung: • RANS-Löser mit integrierter Transitionsvorhersage • automatisch: kein Eingriff von Seiten des Nutzers nötig • autonom: mit möglichst wenig Zusatzinformationen anwendbar • Reduktion modellseitiger Unsicherheiten • Genauigkeit der Ergebnisse aus voll turbulenten Rechnungen oder mit fest gesetzten Transitionslagen häufig nicht zufriedenstellend • Ausnutzung des vollen Pontentials heutiger, fortgeschrittener Turbulenzmodelle • Deutlich verbesserte Simulation der Wechselwirkung zwischen Transitionslagen und Ablösung (Lage und Ausdehnung)

  4. Einleitung • Verschiedene Kopplungsansätze: • RANS-Löser + Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + eN-Datenbankmethode(n) • RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell

  5. Einleitung • Verschiedene Kopplungsansätze: • RANS-Löser + Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + eN-Datenbankmethode(n) • RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell

  6. Einleitung • Verschiedene Kopplungsansätze: • RANS-Löser + Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + voll automatisierter Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + eN-Datenbankmethode(n) • RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell

  7. Einleitung • Verschiedene Kopplungsansätze: • RANS-Löser + voll automatisierter Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + voll automatisierter Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + eN-Datenbankmethode(n) • RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell

  8. Einleitung • Verschiedene Kopplungsansätze: • RANS-Löser + voll automatisierter Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + voll automatisierter Stabilitätscode + eN-Methode • RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + eN-Datenbankmethode(n) • RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell  2  1  future

  9. Einleitung • notwendig für täglichen Einsatz in Produktion : • Industrialisierung der Transitionskopplung • Untersuchung des Verhaltens auf großen Cluster-Systemen • Untersuchung der Kopplungsparameter • Auffinden von Sensitivitäten der Kopplungsstruktur • Finden optimaler Parameter Settings für verschiedene Anwendungen • Ableitung von Best Practice-Regeln • Auffinden möglichen Fehlverhaltens • Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit

  10. Einleitung • notwendig für täglichen Einsatz in Produktion : • Industrialisierung der Transitionskopplung • Untersuchung des Verhaltens auf großen Cluster-Systemen • Untersuchung der Kopplungsparameter • Auffinden von Sensitivitäten der Kopplungsstruktur • Finden optimaler Parameter Settings für verschiedene Anwendungen • Ableitung von Best Practice-Regeln • Auffinden möglichen Fehlverhaltens • Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit  !  !  !  !  !

  11. Kopplungsstruktur cycle = kcyc Struktur der Transitionsvorhersagekopplung externe GS- Kopplung

  12. Kopplungsstruktur cycle = kcyc cycle = kcyc Struktur der Transitionsvorhersagekopplung externe GS- Kopplung interne GS-Kopplung

  13. Kopplungsstruktur 2D • Transitionsvorhersagemodul: • Transitionsmodul • strömungsparallele Flügelschnitte • oder • Stromlinien am GS-Rand • cp-Extraktion • oder • lam. GS-Daten aus RANS-Netz • lam. GS-Code COCO (G. Schrauf) • gepfeilt + zugespitzt  konisch, 2.5d • stromlinienorientiert • externer Code • lokaler lin. Stabiliätscode LILO (G. Schrauf) • eN-Methoden für TS + CF • externer Code • oder • eN-Datenbankmethoden • eine für TS + eine für CF • externe Codes • oder • empirische Transitionskriterien interne GS-Kopplung externe GS-Kopplung

  14. Kopplungsstruktur 3D • Transitionsvorhersagemodul: • Transitionsmodul • strömungsparallele Flügelschnitte • oder • Stromlinien am GS-Rand • cp-Extraktion • oder • lam. GS-Daten aus RANS-Netz • lam. GS-Code COCO (G. Schrauf) • gepfeilt + zugespitzt  konisch, 2.5d • stromlinienorientiert • externer Code • lokaler lin. Stabiliätscode LILO (G. Schrauf) • eN-Methoden für TS + CF • externer Code • oder • eN-Datenbankmethoden • eine für TS + eine für CF • externe Codes • oder • empirische Transitionskriterien N-Faktor-Integration N-Faktor-Integration interne GS-Kopplung externe GS-Kopplung

  15. Sensitivitäten Sensitivitäten der Kopplungsstruktur • bisher nur für externe GS-Kopplung • Kopplungsparameter • Unterrelaxationsfaktor der Transitionsvorhersageiteration • Intervalllänge der Transítionsvorhersageiteration • unterschiedliche Intervalllänge bei target lift-Rechnung • unterschiedliche Anzahlen von Netzdomänen in parallelen Rechnungen • unterschiedliche kritische N-Faktoren • 2 Testfälle • generische WB-Transportflugzeug-Konfiguration MC75 • M = 0.75, Re = 18.4106, a = 2.0°• SAE-Turbulenzmodell• NTScrit = 12.0 and NCFcrit = 9.0• hybrides Netz mit 9.5 106 Punkten • TELFONA pathfinder WB-Konfiguration• M = 0.78, Re = 20.0106, a = 0.44 °• SAE-Turbulenzmodell• NTScrit = 12.0, NCFcrit = 9.0 andNTScrit = NCFcrit = 8.5• hybrides Netz mit 14.7 106 Punkten

  16. Unterrelaxationsfaktor • frelax = 0.5, 0.7, 0.85 • ipred = 500 • MC 75 • 96 Netzdomänen (Prozesse)

  17. Vorhersageintervall • ipred = 500, 250, 150 • frelax = 0.7, 0.85 • MC 75 • 96 Netzdomänen (Prozesse)

  18. target lift-Intervall • ilift = 200, 100, 50 • ipred = 250 • frelax = 0.7 • CL,target = 0.48 • MC 75 • 96 Netzdomänen (Prozesse)

  19. Oberflächenreibung • to do:• Transitionsmecha- nismen in den Schnitten• weitere a• mehr Punkte in Transitionslinie • Oberflächendruck • Transitionslinie • MC 75 • 96 Netzdomänen (Prozesse)

  20. Anzahl Netzdomänen • ndomain = 16, 32, 48, 64, 96 • ipred = 250 • TELFONA pathfinder • NTScrit = 12.0, NCFcrit = 9.0

  21. Anzahl Netzdomänen • ndomain = 48, 64, 96 • ipred = 250 • TELFONA pathfinder • NTScrit = NCFcrit = 8.5

  22. Partitionsgrenzen auf Flügeloberseite • ndomain = 48 (parallel partitioniert) •  ndomain = 96 (sequentiell partitioniert) iter step = last - 1 iter step = last Schwingung des Transitionspunktes an Domänengrenzen • TELFONA pathfinder • NTScrit = 12.0, NCFcrit = 9.0

  23. to do:•Auflärung und Behebung der Ursache für die Schwingungen für alle Fälle• Klärung des Auftriebsverhaltens• Transitionsmechanismen in den Schnitten• weitere a• mehr Punkte in Transitionslinie • TELFONA pathfinder • 96 Netzdomänen (Prozesse)

  24. Zusammenfassung Zusammenfassung Das gekoppelte System TAU-Code + Transitionsmodul wurde erfolgreich auf zwei wing body-Konfigurationen bei transsonischer Strömung angewendet. Für die Kopplungsparameter Unterrelaxation, Vorhersageintervalllänge und target lift-Intervalllänge wurde für kombinierte Parametervariationen eine hohe Stabilität der gekoppelten Rechungen festgestellt. momentane Best Practice: - frelax 0.7 - kleine Werte für ipred ausreichend (Vorschlag: ipred = 0.1  cyclesges(FTconverged) ) - Verhältnis ipred/ilift: 1 ≤ ipred/ilift ≤ 5 Ist für mindestens den 2. Testfall zu verifizieren. Der Verlauf der Domänengrenzen auf der Oberfläche scheint einen deutlichen Einfluss auf die Stabilität der Transitionsvorhersage zu haben (Schwingungen, wenn Flügelschnitt auf Domänengrenze fällt), die Auswirkung auf die Kraftbeiwerte ist jedoch klein. Die Wechselwirkung zwischen Lage der Domänengrenzen und der Güte der laminaren Grenzschichtprofile (Störung des Drucks?) muss untersucht werden.

  25. Ausblick Ausblick • weiteres intensives Testen auf großen Cluster-Systemen • Auffinden weiterer Sensitivitäten der Kopplungsstruktur • Finden optimaler Parameter Settings für verschiedene Anwendungen • Ableitung von Best Practice-Regeln • Auffinden möglichen Fehlverhaltens • Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit (z.B. automatische, punktweise Abschaltung) • Untersuchung von Hochauftriebsfällen (inkl. ALT-Kriterium) • Implementierung einer Vorhersagemethode für instationäre Strömungen

  26. Danke schön!

  27. Kopplungsstruktur • Integration paths: integration path in 3D: • energy transport of a wave represented by the group velocity • group velocity direction can be taken as amplification direction • group velocity trajectory can be approximated by edge streamline • “line-in-flight” cuts • pressure distribution along cuts • boundary layer data from BL code • group velocity trajectory approximated with stability code • external BL approach • inviscid streamlines • boundary layer data directly from RANS solver • internal BL approach

  28. Turbulence models • Onset and spreading of turbulence is much to strong for • LLR, LEA, 1988 Wilcox k-w • Onset and spreading of turbulence is much to slow for • Spalart-Allmaras, Menter SST • Good overall results for • Menter BSL k-w model • Wallin explicit algebraic stress model • Wilcox stress-w Reynolds stress model (RSM) • Laminar regions: • Switching off the production terms for eddy-viscosity models • No positive source terms for the Reynolds stress model • Wall boundary value for w set to zero (otherwise, high values of w have been convected into the separated shear layer and slowed down the transition process significantly)

  29. Comparison to PIV measurements • a = 4° • Similar distribution of for TUBS LNB and AFRL water tunnel exp. • LSB in LNB longer and with later transition -> lower Tu-level • Size and shape of LSB and transition location matches very well for Wallin and RSM models • BSL gives a too strong onset of turbulence

  30. Conclusion & Outlook • Conclusion • Navier-Stokes solver + transition prediction module • code applicable to general 3D configurations • code fully capable of parallel computation • good results for prolate spheroid compared to experimental data • Transition module developed within German research program MEGADESIGN • Outlook • investigations on ALT (swept cylinder) • extensive testing & validation

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