Entwicklung eines Wandmodells für die Large-Eddy Simulation auf der Basis nichtlinearer DNS-Datenanalyse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Breuer
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2000 bis 2006
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5285114

In letzter Zeit wird zur Berechnung turbulenter Strömungen verstärkt die Large-Eddy Simulationstechnik (LES) eingesetzt, wobei beachtliche Fortschritte erzielt wurden. Eine Schlüsseltechnologie, um mit LES auch praktisch relevante, wandgebundene Strömungen bei hoher Reynoldszahl simulieren zu können, ist die geeignete Behandlung des wandnahen Bereiches. Bei der Verwendung der Stokesschen Haftbedingungen ist in Wandnähe eine DNS- ähnliche Gitterauflösung erforderlich, die zu unakzeptabel hohen Rechenzeiten führt. Nur wenn es gelingt, den wandnahen Bereich durch eine geeignete Modellierung ihre extrem feine Gitternetze zu beschreiben, wird sich die LES-Technik für technisch relevante Strömungen langfristig einsetzen zu lassen.Das Ziel dieses Projektes ist daher die Entwicklung eines Wandmodells für die LES. Dazu soll das Strömungsfeld in einen wandnahen Bereich und einen Kernbereich unterteilt werden. Der wandnahe Bereich soll im Gegensatz zum Einsatz der Stokesschen Haftbedingung nicht aufgelöst werden, sondern es sollen geeignete Approximationen für den Spannungs- und Feinstruktur-Spannungstensor gefunden werden, die am gewählten Integrationsrand den Einfluß des nicht aufgelösten Bereiches auf den Kernbereich beschreiben. Um ein solches Wandmodell zu entwickeln, wird in diesem Projekt die große Erfahrung der Ingenieure auf dem Gebiet der nichtlinearen Datenanalyse aus der statistischen Physik vereint. Konkret ist geplant, die Untersuchungen zunächst anhand der voll entwickelten, turbulenten Kanalströmung zwischen zwei ebenen Platten durchzuführen. Dieser Strömungsfall wurde aufgrund seiner einfachen Geometrie und der Vermeidung von Ein- und Ausströmbedingungen bereits vielfach mittels DNS simuliert und stellt daher eine hervorragende Ausgangsbasis für das Projekt dar.Die DNS-Daten der Kanalströmung werden von den Ingenieuren beriet gestellt, bzw. falls erforderlich, neu erzeugt und von den Physikern mittels einer nichtlinearen Datenanalyse im statistischen Sinne ausgewertet. Mit Hilfe dieser modernen Analysetechnik soll ein geeignetes Wandmodell aufgestellt werden. Das Modell wird in einen vorhandenen LES-Code implementiert und in A-Posteriori-Tests mit DNS-Rechnungen bzw. bekannten Modellen verglichen. Dies wird die notwendige Rückkopplung für die Weiterentwicklung des Wandmodells liefern, so daß nach einigen Iterationen ein verfeinertes Modell zu erwarten ist. Langfristig ist geplant, auch andere Strömungsfälle (mit Ablöse- und Rückströmgebieten) zu prüfen, wird auch hier die wechselseitige Aufstellung und Überprüfung des Modells anhand von LES-Rechnungen unbedingt erforderlich sein. Daraus wird klar, daß keine der Gruppen imstande ist, das Problem im Alleingang zu lösen. Nur in Form dieser interdisziplinären Initiative der Physik und der Ingenieurwissenschaften kann die anspruchsvolle Aufgabenstellung angegangen werden, wobei beide Disziplinen wechselseitig von einander lernen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen