Numerische Untersuchung der Wirbel-Wirbel- und Wirbel-Stoß-Interaktion in transsonischen Strömungen

Werner, Michael; Schröder, Wolfgang; Rein, Martin

doi:HT030034956

Numerische Untersuchung der Wirbel-Wirbel- und Wirbel-Stoß-Interaktion in transsonischen Strömungen = Numerical investigation of the vortex-vortex- and vortex-shock-interaction in transonic flows

Werner, Michael^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Werner

Ausgabe[ergänzte Auflage]

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Um eine Nomenklatur ergänzte Auflage. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Rein, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08816
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/968809/files/968809.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut (415110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
delta wings (frei) ; numerical simulations (frei) ; stability analysis (frei) ; vortex breakdown (frei) ; vortex interaction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Strömungstopologie moderner Mehrfachdeltaflügel-Konfigurationen im schallnahen Geschwindigkeitsbereich ist geprägt von starken Längswirbeln, die je nach Flugzustand miteinander oder mit Verdichtungsstößen über dem Flügel interagieren können. Im Rahmen dieser Arbeit werden diese Wirbel-Wirbel- und Wirbel-Stoß-Interaktionen numerisch mithilfe des DLR-TAU-Codes untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Stabilität der Wirbel gegenüber Wirbelplatzen. Für den Großteil der numerischen Simulationen werden konventionelle Navier-Stokes-Simulationen verwendet, für einige ausgewählte Fälle wird zudem zusätzlich ein skalenauflösendes IDDES-Verfahren angewendet. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Umströmung einer generischen Mehrfachdeltaflügel-Konfiguration, des DLR-F22-Modells. Die Strömungstopologie am DLR-F22-Modell ist dominiert von mehreren Primärwirbeln. Bei schallnahen Geschwindigkeiten bilden sich zudem Verdichtungsstöße über dem Modell. Im Rahmen der Arbeit wird der Einfluss des Anstell- und Schiebewinkels sowie der Anströmmachzahl und des Grundrisses des Modells auf die resultierenden Wirbel-Interaktionen untersucht. Dabei werden über einen breiten Anstellwinkel- und Machzahlbereich deutliche Wirbel-Wirbel-Interaktion, inklusive Verschmelzung der Primärwirbel beobachtet. Bei transsonischen Geschwindigkeiten tritt zudem stoßinduziertes Wirbelplatzen auf. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Interaktion generischer Längswirbel mit einem schiefen Verdichtungsstoß untersucht. Dabei wird einerseits im Rahmen einer Parameterstudie der Einfluss der Zirkulation und der axialen Geschwindigkeit des Wirbels auf die Stabilität gegenüber Wirbelplatzen durch die Wirbel-Stoß-Interaktion analysiert. In einer weiteren Studie wird zudem zur Untersuchung der Wirbel-Wirbel-Interaktion ein zweiter Wirbel in das Strömungsfeld eingebracht. In Abhängigkeit vom Abstand der Wirbel zueinander und dem relativen Drehsinn führt dies entweder zu einer Stabilisierung oder einer Destabilisierung des Hauptwirbels. Basierend auf den numerischen Ergebnissen wird anschließend ein überarbeitetes Wirbelplatzkriterium definiert und anhand von Daten aus der Literatur validiert. Die Vorhersagen des neuen Kriteriums erweisen sich dabei über einen breiten Machzahlbereich als genauer als die von früheren Kriterien. Im Rahmen der Arbeit wird zudem ein Verfahren zur Durchführung der globalen Stabilitätsanalyse implementiert und erstmals auf den Fall der Wirbel-Stoß-Interaktion angewandt. Durch einen Vergleich mit instationären Simulationen werden die mithilfe der Stabilitätsanalyse gefundenen Stabilitätsgrenzen und somit die Anwendbarkeit des Verfahrens auf den Fall der Wirbel-Stoß-Interaktion bestätigt.

The flow topology around modern multiple-swept delta wings at transonic flow speeds is dominated by strong longitudinal vortices. Depending on the flow conditions, these vortices can interact with each other or with shocks that form above the wing. In the scope of this work, these vortex-vortex- and vortex-shock-interactions are investigated numerically using the DLR-TAU code. Special emphasis is placed on the stability of the vortices with respect to vortex breakdown. The majority of the numerical simulations is based on conventional URANS simulations. For selected cases, a scale-resolving IDDES method is also applied. The first part of this work deals with the flow around a generic multiple-swept delta wing, the DLR-F22 model. The flow topology at the DLR-F22 model is dominated by several primary vortices. Additionally, at transonic speeds shocks occur above the wing. During the study the influence of the angle of attack and angle of sideslip as well as that of the freestream Mach number and the planform of the model on the resulting vortex interactions is investigated. Over a broad range of angle of attack as well as freestream Mach number, strong vortex-vortex interactions, including vortex merging, are observed. Additionally, at transonic conditions, shock-induced vortex-breakdown occurs above the model.In the second part of this work, the interaction of generic longitudinal vortices with an oblique shock is investigated using a simple ramp flow. In a first step, the influence of the circulation and the axial velocity of the vortex on the stability against vortex breakdown due to the vortex-shock interaction is analyzed by means of a parametric study. In a second step, a second vortex is introduced into the flow field to investigate vortex-vortex interaction. Depending on the distance between the vortices and the relative sense of rotation, either a stabilisation or a destabilisation of the main vortex is observed. Based on the numerical results, a revised vortex breakdown criterion is defined and validated using data from the literature. The predictions of the new criterion prove to be more accurate over a wide range of Mach numbers than those of previously existing criteria. Additionally, a global stability analysis framework is implemented and applied to the case of vortex-shock-interaction for the first time. A comparison with unsteady simulations is used to confirm the stability boundary identified by the global stability analysis and thus the applicability of the approach to the case of vortex-shock-interaction.

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