Ein blockstrukturiertes Verfahren zur Simulation der Umströmung komplexer Konfigurationen

Schwarz, Thorsten

Es wird ein blockstrukturiertes Verfahren zur Berechnung der reibungsbehafteten Umströmung komplexer Konfigurationen beschrieben. Das Verfahren nutzt überlappende Rechengitter zur Diskretisierung des Strömungsfeldes. Das Gittersystem besteht aus unabhängig voneinander erstellten Netzen für die Komponenten einer Konfiguration, die in ein automatisiert generiertes, kartesisches Hintergrundgitter eingebettet sind. Das Hintergrundgitter ist ein an die Netzfeinheit der Komponentengitter adaptiertes Mehrblocknetz mit hängenden Netzknoten, dessen Netzzellen sowohl würfelförmig als auch quaderförmig sein können. Durch die Verwendung überlappender Gitter wird der Netzgenerierungsprozess deutlich vereinfacht. Die Strömungssimulationen werden mit einem Navier-Stokes Verfahren durchgeführt. Bei diesem wurden die Chimären-Algorithmen durch Methoden zur Dateninterpolation und Kraftberechnung bei Gittern mit Netzüberlappungen auf Körperoberflächen erweitert. Außerdem wurde eine Randbedingung für Blockübergänge mit hängenden Netzknoten implementiert. Die Hintergrundgitter werden mit einem kartesischen Netzgenerator erstellt. Netzkonvergenzstudien für reibungslose und reibungsbehaftete Profilumströmungen belegen die Konsistenz und die Genauigkeit des Verfahrens. Die Validierung erfolgt mit Strömungssimulationen für ein Dreielement-Profil, einen Hubschrauberrumpf und eine Flugzeug-Hochauftriebskonfiguration. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung der numerisch auf konventionellen bzw. überlappenden Gittern erzielten Ergebnisse und eine gute Übereinstimmung mit Windkanalmessungen. Die Vergleichsrechnungen ergeben bei Chimären-Rechnungen einen etwas höheren Rechenzeitbedarf als bei konventionellen Gittern.

A block structured method for the simulation of the viscous flow around complex configurations is presented. The computational domain is discretized with overlapping meshes. The meshes are composed of individually created grids for the components of a configuration and an automatically generated Cartesian background grid. The background grid is a multi-block mesh with hanging grid nodes, which is adapted to the cell size of the component grids. The cells of the background grid can be cubes or cuboids. The overlapping grid approach simplifies the generation of block structured grids significantly. The flow computations are performed with a Navier-Stokes solver. The Chimera capabilities of the solver are extended by methods for the computation of interpolation coefficients and global forces in case of grid overlap on body surfaces. Additionally, a flux conservative boundary condition for the hanging grid nodes is implemented. For the creation of the Cartesian background grids, an automatic grid generator has been developed. The consistency and accuracy of the methods is proved by grid refinement studies. Validation test cases involve a three element airfoil, a helicopter fuselage and an airplane in landing configuration. Numerical results obtained for Chimera meshes as well as conventional grids agree very well. The agreement with wind tunnel experiments is good. The computational costs for Chimera computations are slightly higher than for conventional grids.

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Schwarz, Thorsten: Ein blockstrukturiertes Verfahren zur Simulation der Umströmung komplexer Konfigurationen. 2005.

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