Direkte Numerische Simulation von Druckwellenphänomenen bei transsonischer Profilumströmung

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Von:

Manuel Alexander Gageik

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In der vorliegenden Arbeit werden zwei Schwerpunkte gesetzt. Im ersten Teil wird die Entwicklung des Strömungslösers SHOCK zur Direkten Numerischen Simulation (DNS) kompressibler Strömungen dessen ausführliche Verifikation sowie ein zentrales Auswerteprogramm mit Stabilitätslöser diskutiert. Im zweiten Teil wird SHOCK angewendet, um die transsonische Profilumströmung mit dem Schwerpunkt stromauflaufender Druckwellen zu untersuchen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Überprüfung des Tonal Noise in transsonischen Strömungen. Hier ist eine hervorzuhebende Erkenntnis, dass die Strouhal-Zahl des Tonal Noise auch für die transsonische Strömung bei St = 0, 048 ± 0.003 liegt. Ebenso werden die Tollmien-Schlichting-Wellen in der Grenzschicht bei gleicher Strouhal-Zahl des Tonal Noise Phänomens nachgewiesen. Für einige untersuchte Konfigurationen wird ab einer Mach-Zahl von Ma 0,6 ein anderer Quellmechanismus im Bereich der laminaren Ablösung detektiert. Druckwellen laufen stromauf und heben dabei die Grenzschicht an, sodass die Ablöseblase wächst. Dies führt zu einer verstärkten Anfachung der Tollmien-Schlichting-Wellen. Diese wiederum erzeugen stärkere Druckschwankungen durch die Interaktion mit einem stationären Stoß. Druckwellen laufen abermals stromauf und schließen dadurch die Rückkopplungsschleife. Die Untersuchung der stromauflaufenden Druckwellen zeigt, dass ursprünglich dreidimensionale Elementarwellen sich zu ebenen Wellenfronten vereinen. Hierbei spielen nichtlineare Effekte eine Rolle, die dazu führen, dass sich die Druckwellen nicht superpositionieren, sondern zusammenlaufen und eine neue Welle bilden. Darüber hinaus ist die natürliche Radiusvergrößerung einer expandierenden Kugelwelle dafür verantwortlich, dass sich die Wellen eigenständig ausrichten.