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16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 1Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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 Engineering
Géza SchraufAirbus, Aerodynamics Domain
Automatische Transitionsvorhersage für dreidimensionale Flugzeugkonfigurationenmit dem DLR TAU-Code
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 2Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Überblick
Überblick
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 3Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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 zwischenTransitionslagen und Ablösung (Lage und Ausdehnung)
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 4Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Einleitung
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 5Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Einleitung
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 6Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Einleitung
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 7Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Einleitung
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 8Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Einleitung
2
1
future
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 9Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Einleitung
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 10Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Einleitung
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16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 11Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
cycle = kcyc
Kopplungsstruktur
Struktur der Transitionsvorhersagekopplung
externe GS- Kopplung
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 12Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
cycle = kcyc
cycle = kcyc
externe GS- Kopplung
interne GS-Kopplung
Kopplungsstruktur
Struktur der Transitionsvorhersagekopplung
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 13Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
2D
externe GS-Kopplung
interne GS-Kopplung
Transitionsvorhersagemodul:
Kopplungsstruktur
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 14Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
3D
N-Fak
tor-I
nteg
ratio
n
N-Faktor-Integration
Kopplungsstruktur
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
externe GS-Kopplung
interne GS-Kopplung
Transitionsvorhersagemodul:
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 15Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
bisher nur für externe GS-Kopplung
KopplungsparameterUnterrelaxationsfaktor der TransitionsvorhersageiterationIntervalllänge der Transítionsvorhersageiterationunterschiedliche Intervalllänge bei target lift-Rechnungunterschiedliche Anzahlen von Netzdomänen in parallelen Rechnungenunterschiedliche kritische N-Faktoren
2 Testfälle
generische WB-Transportflugzeug-Konfiguration MC75• M = 0.75, Re = 18.4106, = 2.0°• SAE-Turbulenzmodell• NTS
crit = 12.0 and NCFcrit = 9.0
• hybrides Netz mit 9.5 106 Punkten
TELFONA pathfinder WB-Konfiguration• M = 0.78, Re = 20.0106, = 0.44 °• SAE-Turbulenzmodell• NTS
crit = 12.0, NCFcrit = 9.0 and NTS
crit = NCFcrit = 8.5
• hybrides Netz mit 14.7 106 Punkten
Sensitivitäten
Sensitivitäten der Kopplungsstruktur
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 16Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Unterrelaxationsfaktor
frelax = 0.5, 0.7, 0.85
ipred = 500
MC 75
96 Netzdomänen (Prozesse)
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 17Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Vorhersageintervall
ipred = 500, 250, 150
frelax = 0.7, 0.85
MC 75
96 Netzdomänen (Prozesse)
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 18Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
target lift-Intervall
ilift = 200, 100, 50
ipred = 250
frelax = 0.7
CL,target = 0.48
MC 75
96 Netzdomänen (Prozesse)
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 19Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Oberflächenreibung
Oberflächendruck
Transitionslinie MC 75
96 Netzdomänen (Prozesse)
to do:• Transitionsmecha-
nismen in den Schnitten
• weitere • mehr Punkte in
Transitionslinie
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 20Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Anzahl Netzdomänen
ndomain = 16, 32, 48, 64, 96
ipred = 250
TELFONA pathfinder
NTScrit = 12.0, NCF
crit = 9.0
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 21Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Anzahl Netzdomänen
ndomain = 48, 64, 96
ipred = 250
TELFONA pathfinder
NTScrit = NCF
crit = 8.5
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 22Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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, NCF
crit = 9.0
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 23Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
TELFONA pathfinder
96 Netzdomänen (Prozesse)
to do:• Auflärung und Behebung der Ursache für
die Schwingungen für alle Fälle
• Klärung des Auftriebsverhaltens • Transitionsmechanismen in den Schnitten
• weitere • mehr Punkte in Transitionslinie
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 24Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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.
Zusammenfassung
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 25Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Ausblick
Ausblick
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 26Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Danke schön!
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16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 29Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Kopplungsstruktur
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 30Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Turbulence models
Onset and spreading of turbulence is much to strong for
LLR, LEA, 1988 Wilcox k-
Onset and spreading of turbulence is much to slow for
Spalart-Allmaras, Menter SST
Good overall results for
Menter BSL k- model
Wallin explicit algebraic stress model
Wilcox stress- 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 set to zero
(otherwise, high values of have been convected into
the separated shear layer and slowed down the
transition process significantly)
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 31Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
Comparison to PIV measurements
= 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
vu
16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 32Andreas Krumbein, DLR, AS, C2A2S2E > Aachen, 4.11.2008
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
Conclusion & Outlook