Überblick

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


Überblick

Überblick


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)


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




RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + Stabilitätscode + eN-Methode



Einleitung




RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + voll automatisierter Stabilitätscode + eN-Methode



Einleitung



RANS-Löser + voll automatisierter Stabilitätscode + eN-Methode




Einleitung



RANS-Löser + voll automatisierter Stabilitätscode + eN-Methode




Einleitung

2

1

future


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


notwendig für täglichen Einsatz in Produktion :

Industrialisierung der Transitionskopplung

Untersuchung des Verhaltens auf großen Cluster-Systemen

Untersuchung der Kopplungsparameter

Auffinden von Sensitivitäten der Kopplungsstruktur




Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit

Einleitung

!

!

!

!

!


cycle = kcyc

Kopplungsstruktur

Struktur der Transitionsvorhersagekopplung

externe GS- Kopplung


cycle = kcyc

cycle = kcyc

externe GS- Kopplung

interne GS-Kopplung

Kopplungsstruktur

Struktur der Transitionsvorhersagekopplung


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


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:


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


Unterrelaxationsfaktor

frelax = 0.5, 0.7, 0.85

ipred = 500

MC 75

96 Netzdomänen (Prozesse)


Vorhersageintervall

ipred = 500, 250, 150

frelax = 0.7, 0.85

MC 75



target lift-Intervall

ilift = 200, 100, 50

ipred = 250

frelax = 0.7

CL,target = 0.48

MC 75



Oberflächenreibung

Oberflächendruck

Transitionslinie MC 75


to do:• Transitionsmecha-

nismen in den Schnitten

• weitere • mehr Punkte in

Transitionslinie


Anzahl Netzdomänen

ndomain = 16, 32, 48, 64, 96

ipred = 250

TELFONA pathfinder

NTScrit = 12.0, NCF

crit = 9.0


Anzahl Netzdomänen

ndomain = 48, 64, 96

ipred = 250

TELFONA pathfinder

NTScrit = NCF

crit = 8.5


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


TELFONA pathfinder


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


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


weiteres intensives Testen auf großen Cluster-Systemen

Auffinden weiterer Sensitivitäten der Kopplungsstruktur




Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit (z.B. automatische, punktweise Abschaltung)

Untersuchung von Hochauftriebsfällen (inkl. ALT-Kriterium)

Implementierung einer Vorhersagemethode für instationäre Strömungen

Ausblick

Ausblick


Danke schön!


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


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)


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


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

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