Numerische Simulation turbulenter Strömungen um eine Kugel

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Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung der Vorhersagbarkeit turbulenter Strömungen mit Transition und Ablösung, wie sie bei der Umströmung stumpfer Körper entstehen. Als Beispielkörper wird eine Kugel betrachtet, da sie geometrisch einfach ist, ihre Umströmung jedoch alle Eigenschaften komplexer, abgelöster Strömungen hat (Ablösungsstelle nicht fixiert, Transition vor der Ablösung oder nach laminarer Ablösung, kohärente Strukturen im Nachlauf, stark dreidimensionale Strömung mit achsensymmetrischem Mittelwert). Nachdem eine direkte numerische Simulation bei der Reynolds-Zahl von 5 000 bereits durchgeführt und ein experimentelles Programm durch Grundausstattung gesichert wurde, sind hier Grobstruktursimulationen (large-eddy simulations - LES - bei moderaten und very large-eddy simulations - VLES - bei hohen Reynolds-Zahlen) geplant. Entscheidend ist die Möglichkeit der Verwendung von unstrukturierten, lokal verfeinerten Gittern und des Parallelrechnens, was das zur Verfügung stehende Verfahren gewährleistet. Es wird eine systematische Untersuchung von zwei Strömungszuständen durchgeführt werden: (i) mit laminarer Ablösung von glatter Kugeloberfläche und Transition im Nachlauf (Reynolds-Zahl um 50.000) und (ii) mit erzwungener Transition der Grenzschicht (durch Stolperdraht) und turbulenter Ablösung. In beiden Fällen werden zuerst Simulationen durchgeführt, gefolgt von gezielten experimentellen Untersuchungen und Nachsimulationen mit optimierten Modellen. Zusätzlich zu den Grobstruktursimulationen werden auch statistische Turbulenzmodelle (sowohl Zweigleichungs- als auch Reynolds-Spannungsmodelle) angewendet.