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Untersuchungen zum Wirbeltransport bei der Simulation der instationären Umströmung von Mehrblattrotoren mittels der Eulergleichungen

Dieter Wehr

ISBN 978-3-89722-285-4
126 Seiten, Erscheinungsjahr: 1999
Preis: 40.00 €
Zusammenfassung:

Für die reibungsfreie Berechnung von instationären Rotorumströmungen lag zu Anfang der vorliegenden Arbeit ein Eulerverfahren vor, das auf einem Punkt--Gauss--Seidel Algorithmus basierte und aus einem stationären Verfahren entwickelt worden war. Die zu behandelnden Problemgrößen von mehreren Millionen Zellen bei Rotoren mit bis zu fünf Blättern machten es notwendig, den Löser zu beschleunigen.

Deswegen wurde im ersten Teil der Arbeit das Augenmerk auf die Effizienzsteigerung des numerischen Verfahrens gerichtet. Die implizite Formulierung wurde beibehalten, es wurden jedoch alle rechenintensiven Matrix--Vektormultiplikationen eliminiert, so daß ein völlig matrixfreier Löser entstand, der ohne Inversionen auskommt. Dieses Lower Upper Symmetric Gauss Seidel (LUSGS) Verfahren gehört der Klasse der Zerlegungen in obere und untere Dreiecksmatrix an und zeichnet sich durch eine hohe Konvergenzrate und Robustheit aus.

Weiterhin wurden verschiedene Verfahren zur Flußberechnung hinsichtlich Rechenzeit und Genauigkeit untersucht. Als Ergebnis wurde ein Flußvektorsplitting nach Liou-Steffen implementiert, das mit weniger Operationen als das vorherige Flußdifferenzsplitting nach Eberle auskommt und die gleiche Auflösung erreicht.

Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei Möglichkeiten zur Berücksichtigung des Wirbelsystems eines Rotors im Vorwärtsflug miteinander verglichen. Zuerst wurde die Chimeratechnik weiterentwickelt, die den gesamten Rotor durch beliebig überlappende Blatt-- und Hintergrundnetze behandelt, die untereinander Randbedingungen mittels Interpolation austauschen. Durch die konsequente Vektorisierung und Parallelisierung des Codes war es möglich, die Effizienz zu steigern und signifikante Rechenzeiteinsparungen zu erzielen. Eine zweite Methode besteht darin, nur ein Blatt zu rechnen und den Nachlauf der anderen Blätter lediglich durch deren induzierte Geschwindigkeiten zu berücksichtigen. Diese wurden durch ein Wirbelgitterverfahren erzeugt und als zeitlich veränderliche Randbedingung dem Einzelblattnetz aufgeprägt. Ein Vergleich dieser beiden Methoden ergab eine sehr gute übereinstimmung. Somit ist diese Kopplung von Euler-- und Potentialverfahren eine rechenzeitsparende Alternative zur Chimerarechnung, da nur ein Blattnetz mit entsprechend wenigen Gitterzellen zu behandeln ist. Das Verfahren wurde schließlich durch zahlreiche Testfälle validiert, für die experimentelle Daten vorliegen.

Keywords:
  • Hubschrauber
  • Rotoraerodynamik
  • Eulergleichungen
  • Wirbeltransport
  • Strömungssimulation

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