Lehrstuhl Strömungsmechanik

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Kurzinformationen

CFD

computational fluid dynamics

DNS

direct numerical simulation

RANS

Reynolds-averaged Navier–Stokes equations

LES

large eddy simulation

DES

detached eddy simulation

LBM

Lattice Boltzmann Methode

Numerische Simulation

am Lehrstuhl Strömungsmechanik

Die numerische Simulation von Strömungsfeldern wird sowohl in der Grundlagenforschung als auch anwendungsnah eingesetzt, um Strömungsphänomene in nicht oder nur schwer experimentell zugänglichen Situationen erfassen zu können, oder in kurzer Zeit verschiedene Varianten an Konfigurationen untersuchen zu können.

Dabei kommen zwei grundlegend verschiedene Verfahren zum Einsatz. Nach dem Standardverfahren der CFD werden die Bewegungsgleichungen des Fluids, die Navier-Stokes-Gleichungen, sowie weitere Transportgleichungen (Wärme, skalarer Transport) direkt oder zeitlich oder räumlich gemittelt auf einem Gitter gelöst. Die Wahl des entsprechenden Verfahrens DNS, RANS oder LES/DES ist abhängig von der Problemstellung. Im Bereich der Grundlagenforschung kommt dazu der open source Löser OpenFOAM zum Einsatz. In den anwendungsnahen Bereichen wird das Paket Ansys CFX eingesetzt. Der Lehrstuhl Strömungsmechanik nutzt dazu die Linux-Cluster Architektur der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik.

Die Lattice Boltzmann Methode (LBM) gilt als vielversprechende Alternative zu gängigen Verfahren der Strömungssimulation. Sie nutzt die Tatsache, dass Fluide vollständig über die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion f (x,v,t) der kinetischen Gastheorie beschrieben werden können. Aus dieser Funktion können alle makroskopischen Eigenschaften wie die Dichte oder die Geschwindigkeit abgeleitet werden.
Diese Beschreibung vereinfacht die Einbindung komplexer physikalischer Prozesse, wie sie beispielsweise bei Partikelinteraktionen, Mehrphasenströmungen oder auch verdünnten Gasen auftreten. Außerdem basiert die LBM auf einem uniformen quadratischen Gitter, sodass zum einen selbst in der Anwesenheit von komplexen Geometrien keine aufwendige Netzberechnung nötig ist und zum anderen das Verfahren außerordentlich gut parallelisierbar ist. Im Ergebnis kann, insbesondere bei komplexen Geometrien, eine erhebliche Rechenzeitersparnis im Vergleich zur konventionellen Simulation der Bewegungsgleichungen erreicht werden.

2D und 3D Lattice-Modelle für die LBM-Simulation
2D und 3D Lattice-Modelle für die LBM-Simulation

Langrange Particle Tracking im Nachlauf der Seehundvibrisse (URANS, M. Witte)

URANS-Simulation (openFOAM)
URANS-Simulation (openFOAM) des instationären Nachlaufs eines Vibrissenmodells, Isoflächen des Q-Wirbelkriteriums
DES-Simulation (openFOAM) der instationären Umströmung einer Tonne auf dem Meeresboden
DES-Simulation (openFOAM) der instationären Umströmung einer Tonne auf dem Meeresboden
DES-Simulation (openFOAM) der instationären Umströmung einer Tonne auf dem Meeresboden: Stromlinien
DES-Simulation (openFOAM) der instationären Umströmung einer Tonne auf dem Meeresboden: Stromlinien
LBM-Simulation der Umströmung eines stumpfen Körpers
LBM-Simulation der Umströmung eines stumpfen Körpers: Druckfluktuationen, Stromlinien und Geschwindigkeitsbetrag
LBM-Simulation der Umströmung eines quer angeströmten Kreiszylinders, Isoflächen des Q-Wirbelkriteriums, farbig: Wirbelstärkekomponente in Anströmrichtung
LBM-Simulation der Umströmung eines quer angeströmten Kreiszylinders, Isoflächen des Q-Wirbelkriteriums, farbig: Wirbelstärkekomponente in Anströmrichtung