Numerische Untersuchungen zur Mikro-Ausblasung in kompressiblen turbulenten Grenzschichten ohne und mit positivem Druckgradienten in Strömungsrichtung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Rist
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411492272

Das Ziel des vorliegenden Antrags ist die Untersuchung des Konzepts der Mikro-Ausblasung zur Reduzierung des Reibungswiderstands in kompressiblen turbulenten Grenzschichten. Diese Untersuchungen erscheinen durch jüngst vorgestellte Ergebnisse in inkompressiblen Grenzschichten gerechtfertigt, bei denen durch Mikro-Ausblasung vielversprechende Widerstandsreduktionen erzielt wurden. Im Vergleich zum inkompressiblen Fall ist kompressibles Ausblasen jedoch viel komplexer und Widerstandsvorteile sind derzeit noch unvorhersehbar, da die Wandreibungsverteilung auch wesentlich durch die Temperatur des ausgeblasenen Gases beeinflusst wird. Zudem unterliegen numerische Untersuchungen kompressibler Strömungen weit größeren Unsicherheiten bedingt durch das numerische Setup, das zur Erzeugung zuverlässiger Daten eine sehr sorgsame Behandlung erfordert. Aus diesem Grund werden alle vorliegenden Untersuchungen mittels Direkter Numerischer Simulationen (DNS) auf einem Höchstleistungsrechnersystem durchgeführt, die nicht durch die Wahl von möglicherweise ungeeigneten Turbulenzmodellen fälschlich beeinflusst sind. Somit können neue qualitative und quantitative Informationen von grundlegendem und praktischem Wert geliefert werden.In den ersten zweieinhalb Jahren eines Vorgängerprojektes konnte bereits gezeigt werden, dass unser numerisches Setup herausragende Ergebnisse für den generischen Fall der kompressiblen turbulenten Grenzschicht ohne Druckgradient ermöglicht, die sowohl in Bezug auf Zuverlässigkeit als auch in deren wissenschaftlicher Akzeptanz einzigartig sind. Ein weiteres Ziel des vorliegenden Antrages ist, diese grundlegende Arbeit durch die Erzeugung von Referenzdaten kompressibler turbulenter Grenzschichten mit positivem Druckgradienten fortzuführen, die im Folgenden für die Untersuchungen mit gleichmäßigem Ausblasen benötigt werden. Nachdem der numerische Aufbau bereits für positive Druckgradienten bei niedrigen, subsonischen Machzahlen validiert wurde, kann auch für diese Ergebnisse, wie bereits im Falle ohne Druckgradient, eine vergleichbar hohe Qualität prognostiziert werden, die für die wissenschaftliche Gemeinschaft von großem Interesse ist.Unter Verwendung der kompressiblen turbulenten Referenzströmungen ohne bzw. mit positivem Druckgradient werden Vorhersage und Modellierung des kompressiblen Mikro-Ausblasens möglicherweise weltweit erstmalig untersucht und verbessert, so dass DNS-Daten zur Validierung von LES- oder Turbulenzmodellen für das kompressible Problem entstehen, die auch den Einfluss der Ausblasetemperatur und der Machzahl enthalten. Vergleiche mit analytischen Lösungsansätzen werden ebenfalls angestellt. Die damit verbundenen Untersuchungen erlauben neue und wichtige grundlagende Einblicke in die Strömungsphysik im Bereich kompressibler turbulenter Grenzschichtbeeinflussung, die über Widerstandsreduktionen zu Kraftstoffersparnis und einer Verringerung der Umweltverschmutzung beitragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen