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Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, 4.11.2008 16. DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 1 Automatic Transition Prediction for.

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1 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 1 Automatic Transition Prediction for Three-Dimensional Aircraft Configurations using the DLR TAU Code Andreas Krumbein & Normann Krimmelbein Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institute of Aerodynamics and Flow Technology C²A²S²E Center for Computer Applications in AeroSpace Science and Engineering Géza Schrauf Airbus, Aerodynamics Domain Automatische Transitionsvorhersage für dreidimensionale Flugzeugkonfigurationen mit dem DLR TAU-Code

2 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 2 Überblick Einleitung Struktur der Transitionsvorhersagekopplung Sensitivitäten der Kopplungsstruktur generische wing body-Transportflugzeug-Konfiguration TELFONA pathfinder wing body-Konfiguration Zusammenfassung Ausblick Überblick

3 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 3 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 zwischen Transitionslagen und Ablösung (Lage und Ausdehnung)

4 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 4 Verschiedene Kopplungsansätze: RANS-Löser+ Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + e N -Datenbankmethode(n) RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell Einleitung

5 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 5 Verschiedene Kopplungsansätze: RANS-Löser+ Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + e N -Datenbankmethode(n) RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell Einleitung

6 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 6 Verschiedene Kopplungsansätze: RANS-Löser+ Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + voll automatisierter Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + e N -Datenbankmethode(n) RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell Einleitung

7 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 7 Verschiedene Kopplungsansätze: RANS-Löser+ voll automatisierter Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + voll automatisierter Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + e N -Datenbankmethode(n) RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell Einleitung

8 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 8 Verschiedene Kopplungsansätze: RANS-Löser+ voll automatisierter Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + voll automatisierter Stabilitätscode + e N -Methode RANS-Löser + laminarer Grenzschichtcode + e N -Datenbankmethode(n) RANS-Löser + Transitionsschließungsmodell oder Transitions-Turbulenzmodell Einleitung 2 1 future

9 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 9 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

10 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 10 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 !

11 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 11 cycle = k cyc Kopplungsstruktur Struktur der Transitionsvorhersagekopplung externe GS- Kopplung

12 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 12 cycle = k cyc externe GS- Kopplung interne GS- Kopplung Kopplungsstruktur Struktur der Transitionsvorhersagekopplung

13 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 13 Transitionsmodul strömungsparallele Flügelschnitte oder Stromlinien am GS-Rand c p -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) e N -Methoden für TS + CF externer Code oder e N -Datenbankmethoden eine für TS + eine für CF externe Codes oder empirische Transitionskriterien 2D externe GS- Kopplung interne GS- Kopplung Transitionsvorhersagemodul: Kopplungsstruktur

14 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 14 3D N-Faktor-Integration Kopplungsstruktur Transitionsmodul strömungsparallele Flügelschnitte oder Stromlinien am GS-Rand c p -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) e N -Methoden für TS + CF externer Code oder e N -Datenbankmethoden eine für TS + eine für CF externe Codes oder empirische Transitionskriterien externe GS- Kopplung interne GS- Kopplung Transitionsvorhersagemodul:

15 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 15 bisher nur für externe GS-Kopplung Kopplungsparameter Unterrelaxationsfaktor der Transitionsvorhersageiteration Intervalllänge der Transítionsvorhersageiteration unterschiedliche Intervalllänge bei target lift-Rechnung unterschiedliche Anzahlen von Netzdomänen in parallelen Rechnungen unterschiedliche kritische N-Faktoren 2 Testfälle generische WB-Transportflugzeug-Konfiguration MC75 M = 0.75, Re = , = 2.0° SAE-Turbulenzmodell N TS crit = 12.0 and N CF crit = 9.0 hybrides Netz mit Punkten TELFONA pathfinder WB-Konfiguration M = 0.78, Re = , = 0.44 ° SAE-Turbulenzmodell N TS crit = 12.0, N CF crit = 9.0 and N TS crit = N CF crit = 8.5 hybrides Netz mit Punkten Sensitivitäten Sensitivitäten der Kopplungsstruktur

16 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 16 Unterrelaxationsfaktor f relax = 0.5, 0.7, 0.85 i pred = 500 MC Netzdomänen (Prozesse)

17 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 17 Vorhersageintervall i pred = 500, 250, 150 f relax = 0.7, 0.85 MC Netzdomänen (Prozesse)

18 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 18 target lift-Intervall i lift = 200, 100, 50 i pred = 250 f relax = 0.7 C L,target = 0.48 MC Netzdomänen (Prozesse)

19 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 19 Oberflächenreibung Oberflächendruck Transitionslinie MC Netzdomänen (Prozesse) to do: Transitionsmecha- nismen in den Schnitten weitere mehr Punkte in Transitionslinie

20 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 20 Anzahl Netzdomänen n domain = 16, 32, 48, 64, 96 i pred = 250 TELFONA pathfinder N TS crit = 12.0, N CF crit = 9.0

21 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 21 Anzahl Netzdomänen n domain = 48, 64, 96 i pred = 250 TELFONA pathfinder N TS crit = N CF crit = 8.5

22 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 22 Partitionsgrenzen auf Flügeloberseite n domain = 48 (parallel partitioniert) n domain = 96 (sequentiell partitioniert) iter step = last - 1 iter step = last Schwingung des Transitionspunktes an Domänengrenzen TELFONA pathfinder N TS crit = 12.0, N CF crit = 9.0

23 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 23 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

24 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 24 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: - f relax kleine Werte für i pred ausreichend (Vorschlag: i pred = 0.1 cycles ges (FT converged ) ) - Verhältnis i pred /i lift : 1 i pred /i lift 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

25 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 25 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

26 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 26 Danke schön!

27 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 27

28 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 28

29 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 29 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

30 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 30 Turbulence models Onset and spreading of turbulence is much to strong for LLR, LEA, 1988 Wilcox k-w Onset and spreading of turbulence is much to slow for Spalart-Allmaras, Menter SST Good overall results for Menter BSL k-w model Wallin explicit algebraic stress model Wilcox stress-w 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 w set to zero (otherwise, high values of w have been convected into the separated shear layer and slowed down the transition process significantly)

31 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 31 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

32 Andreas Krumbein, DLR, AS, C 2 A 2 S 2 E > Aachen, DGLR-Fach-Symposium der STAB > RWTH Aachen, Folie 32 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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