Automatic Transition Prediction for Three-Dimensional Aircraft Configurations using the DLR TAU Code Automatische Transitionsvorhersage für dreidimensionale.

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1 Automatic Transition Prediction for Three-Dimensional Aircraft Configurations using the DLR TAU Code
Automatische Transitionsvorhersage für dreidimensionale Flugzeugkonfigurationen mit dem 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

2 Überblick Einleitung Struktur der Transitionsvorhersagekopplung
Sensitivitäten der Kopplungsstruktur generische wing body-Transportflugzeug-Konfiguration TELFONA pathfinder wing body-Konfiguration Zusammenfassung Ausblick Let me first give you an overview over the contents of my talk. I am starting with an introduction, I will then outline the transition prediction coupling procedure which is the basis for the results I am going to show, I will present the 3d high-lift test cases I have worked on so far, and I will show the results which are to some extent of preliminary character. I will end with a conclusion and with an outlook.

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) One of the tasks of the German Aerospace Center is to provide simulation software for the German aircraft industry, for example for Airbus. Thus, we have to face industry requirements on our CFD tools, and one of them is to provide a CFD tool based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with integrated transition handling especially transition prediction. The transition capability must be able to be applied in an automatic manner without intervention of the user and with as little additional information as possible and it shall reduce the modelling based uncertainties. On the one hand, it is known that often the accuracy of computational results from fully turbulent flow or from flow with estimated prescribed transition is not satisfactory. On the other hand, the full potential of advanced turbulence models can only be exploited when transition is taken into account with sufficient accuracy. With respect to high-lift flows an improved simulation of the interaction between the transition locations and separation is expected.

4 Verschiedene Kopplungsansätze:
Einleitung 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 Apart from the application of transition criteria the following different approaches can be found in the literature which adress transition prediction in RANS solvers: # a RANS solver together with a stability code and the eN method # a RANS solver and a laminar boundary layer code together with a stability code and the eN method # a RANS solver coupled to a laminar boundary layer code which itself is coupled to eN database-methods # a RANS solver with integrated transition closure or transition/turbulence models

5 Verschiedene Kopplungsansätze:
Einleitung 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 Apart from the application of transition criteria the following different approaches can be found in the literature which adress transition prediction in RANS solvers: # a RANS solver together with a stability code and the eN method # a RANS solver and a laminar boundary layer code together with a stability code and the eN method # a RANS solver coupled to a laminar boundary layer code which itself is coupled to eN database-methods # a RANS solver with integrated transition closure or transition/turbulence models

6 Verschiedene Kopplungsansätze:
Einleitung 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 Apart from the application of transition criteria the following different approaches can be found in the literature which adress transition prediction in RANS solvers: # a RANS solver together with a stability code and the eN method # a RANS solver and a laminar boundary layer code together with a stability code and the eN method # a RANS solver coupled to a laminar boundary layer code which itself is coupled to eN database-methods # a RANS solver with integrated transition closure or transition/turbulence models

7 Verschiedene Kopplungsansätze:
Einleitung 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 Apart from the application of transition criteria the following different approaches can be found in the literature which adress transition prediction in RANS solvers: # a RANS solver together with a stability code and the eN method # a RANS solver and a laminar boundary layer code together with a stability code and the eN method # a RANS solver coupled to a laminar boundary layer code which itself is coupled to eN database-methods # a RANS solver with integrated transition closure or transition/turbulence models

8 Verschiedene Kopplungsansätze:
Einleitung 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  2  1  future Apart from the application of transition criteria the following different approaches can be found in the literature which adress transition prediction in RANS solvers: # a RANS solver together with a stability code and the eN method # a RANS solver and a laminar boundary layer code together with a stability code and the eN method # a RANS solver coupled to a laminar boundary layer code which itself is coupled to eN database-methods # a RANS solver with integrated transition closure or transition/turbulence models

9 notwendig für täglichen Einsatz in Produktion :
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 Finden optimaler Parameter Settings für verschiedene Anwendungen Ableitung von Best Practice-Regeln Auffinden möglichen Fehlverhaltens Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit Apart from the application of transition criteria the following different approaches can be found in the literature which adress transition prediction in RANS solvers: # a RANS solver together with a stability code and the eN method # a RANS solver and a laminar boundary layer code together with a stability code and the eN method # a RANS solver coupled to a laminar boundary layer code which itself is coupled to eN database-methods # a RANS solver with integrated transition closure or transition/turbulence models

10 notwendig für täglichen Einsatz in Produktion :
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 Finden optimaler Parameter Settings für verschiedene Anwendungen Ableitung von Best Practice-Regeln Auffinden möglichen Fehlverhaltens Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit  ! Apart from the application of transition criteria the following different approaches can be found in the literature which adress transition prediction in RANS solvers: # a RANS solver together with a stability code and the eN method # a RANS solver and a laminar boundary layer code together with a stability code and the eN method # a RANS solver coupled to a laminar boundary layer code which itself is coupled to eN database-methods # a RANS solver with integrated transition closure or transition/turbulence models

11 Struktur der Transitionsvorhersagekopplung
Kopplungsstruktur Struktur der Transitionsvorhersagekopplung cycle = kcyc externe GS- Kopplung The transition prediction coupling procedure looks as follows: Now I am saying, what I always say!

12 Struktur der Transitionsvorhersagekopplung
Kopplungsstruktur Struktur der Transitionsvorhersagekopplung cycle = kcyc externe GS- Kopplung cycle = kcyc interne GS-Kopplung The transition prediction coupling procedure looks as follows: Now I am saying, what I always say!

13 2D Transitionsvorhersagemodul: Transitionsmodul
Kopplungsstruktur Transitionsvorhersagemodul: 2D Transitionsmodul strömungsparallele Flügelschnitte oder Stromlinien am GS-Rand cp-Extraktion 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 eN-Datenbankmethoden eine für TS + eine für CF externe Codes empirische Transitionskriterien interne GS-Kopplung externe GS-Kopplung Now, present the list!

14 3D Transitionsvorhersagemodul: Transitionsmodul
Kopplungsstruktur Transitionsvorhersagemodul: 3D Transitionsmodul strömungsparallele Flügelschnitte oder Stromlinien am GS-Rand cp-Extraktion 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 eN-Datenbankmethoden eine für TS + eine für CF externe Codes empirische Transitionskriterien N-Faktor-Integration N-Faktor-Integration interne GS-Kopplung externe GS-Kopplung Now, present the list!

15 Sensitivitäten der Kopplungsstruktur
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 = 18.4106, a = 2.0° • SAE-Turbulenzmodell • NTScrit = 12.0 and NCFcrit = 9.0 • hybrides Netz mit 9.5 106 Punkten TELFONA pathfinder WB-Konfiguration • M = 0.78, Re = 20.0106, a = 0.44 ° • SAE-Turbulenzmodell • NTScrit = 12.0, NCFcrit = 9.0 and NTScrit = NCFcrit = • hybrides Netz mit 14.7 106 Punkten Now, present the list!

16 Unterrelaxationsfaktor
frelax = 0.5, 0.7, 0.85 ipred = 500 MC 75 96 Netzdomänen (Prozesse)

17 Vorhersageintervall ipred = 500, 250, 150 frelax = 0.7, 0.85 MC 75 96 Netzdomänen (Prozesse)

18 target lift-Intervall
ilift = 200, 100, 50 ipred = 250 frelax = 0.7 CL,target = 0.48 MC 75 96 Netzdomänen (Prozesse)

19 Oberflächenreibung to do: • Transitionsmecha- nismen in den Schnitten • weitere a • mehr Punkte in Transitionslinie Oberflächendruck Transitionslinie MC 75 96 Netzdomänen (Prozesse)

20 Anzahl Netzdomänen ndomain = 16, 32, 48, 64, 96 ipred = 250 TELFONA pathfinder NTScrit = 12.0, NCFcrit = 9.0

21 Anzahl Netzdomänen ndomain = 48, 64, 96 ipred = 250 TELFONA pathfinder NTScrit = NCFcrit = 8.5

22 Partitionsgrenzen auf Flügeloberseite
ndomain = 48 (parallel partitioniert)  ndomain = 96 (sequentiell partitioniert) iter step = last - 1 iter step = last TELFONA pathfinder NTScrit = 12.0, NCFcrit = 9.0 Schwingung des Transitionspunktes an Domänengrenzen

23 to do: • Auflärung und Behebung der Ursache für
to do: • Auflärung und Behebung der Ursache für die Schwingungen für alle Fälle • Klärung des Auftriebsverhaltens • Transitionsmechanismen in den Schnitten • weitere a • mehr Punkte in Transitionslinie TELFONA pathfinder 96 Netzdomänen (Prozesse)

24 Zusammenfassung 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  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.

25 Ausblick 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

26 Danke schön!

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29 Integration paths: Kopplungsstruktur 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

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 Comparison to PIV measurements
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 Conclusion & Outlook 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