Reynolds-Spannungsmodell der Turbulenz für Anwendungen der Flugzeugaerodynamik

Die vorliegende Arbeit zeigt die Weiterentwicklung eines Reynolds-Spannungsmodells der Turbulenz für Anwendungen der Flugzeugaerodynamik. Als Ausgangspunkt dient das JHh-v1-Modell auf Grundlage des JHh-Modells von Jakirlic und Hanjalic, dass anhand von DNS-Daten bei mäßigen Reynolds- und Machzahlen kalibriert wurde und dessen Fokus auf der präzisen Modellierung der wandnahen Turbulenz liegt. In einem ersten Entwicklungsschritt wird eine Rekalibrierung einiger Koeffizienten in der Längenmaßgleichung durchgeführt, durch die eine sinnvolle Berechnung transsonischer Strömungen ermöglicht wird. Eine erkennbare Schwachstelle des rekalibrierten Modells, nämlich die langsame Ausbildung von Turbulenz in Scherschichten mit Wendepunkt im Geschwindigkeitsprofil, wird in einem zweiten Entwicklungsschritt durch das Zufügen eines zusätzlichen Senkenterms in die Längenmaßgleichung vermindert. Die weiterentwickelten Modellvarianten werden an einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen der Flugzeugaerodynamik validiert. Dies beinhaltet Grenzschichtströmungen, zum Teil mit stoß- oder druckinduzierten Ablösungen, freie Scherschichten und Wirbelströmungen. In nahezu sämtlichen Fällen kann eine Vorhersagequalität erzielt werden, die vergleichbar oder besser ist als diejenige des weitverbreiteten Wirbelviskositätsmodells Menter SST. Eine Ausnahme ist in der Simulation einer subsonischen Profilumströmung im Bereich maximalen Auftriebs zu beobachten, in der sich die Weiterentwicklungen negativ auf die Übereinstimmung mit Messdaten auswirken. In komplexen Strömungsphänomenen wie Stoß/Grenzschicht-Interaktion oder Wirbelströmungen können hingegen Vorteile der hochwertigen Behandlung des turbulenten Spannungstensors in Reynolds-Spannungsmodellen gegenüber dem Wirbelviskositätsansatz gezeigt werden.