Untersuchungen der laminar-turbulenten Transition durch direkte numerische Simulation

Ulrich Rist, Institut für Aerodynamik und Gasdynamik, Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 21, 70550 Stuttgart

Mittels direkter numerischer Simulationen (DNS) mit hochgenauen räumlichen Finite-Differenzen-Verfahren wird die Ausbreitung von Störungen in instabilen laminaren Strömungen bis zur Ausbildung der Turbulenz untersucht. Neben der Untersuchung dieses laminar-turbulenten Übergangsprozesses (Transition) selbst spielen dabei in jüngerer Zeit zunehmend Projekte zur Störungsannahme der Scherströmung (Rezeptivität) und zur passiven und aktiven Kontrolle der Störungen eine größere Rolle. Hauptsächlich werden wandgebundene Scherschichtströmungen, sogenannte Grenzschichten, betrachtet. Typischerweise erzeugen unsere Simulationen sehr große Datenmengen, da sie sowohl auf einer sehr feinen räumlichen als auch zeitlichen Diskretisierung hochfrequenter kleinskaliger Strömungsvorgänge beruhen. Zur Überprüfung der Ergebnisse durch Vergleiche mit Windkanal- oder Freiflugmessungen bzw. theoretischen Arbeiten genügt es jedoch i.d.R. nur bestimmte charakteristische Signale oder Fourier-Spektren zu betrachten. Die Situation ändert sich jedoch grundlegend, wenn es darum geht, bisher wenig bekannte Mechanismen im Strömungsfeld zu identifizieren und zu verstehen. Hier ist der Einsatz jeglicher Art von Methoden zur Strömungsvisualisierung angebracht.

Im Sommer 1996 wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) das 6-jährige nationale Verbund-Schwerpunktprogramm "Transition" eingerichtet, das bis Ende 1999 in vier Themenkreise gegliedert war, und seit 2000 fünf Themenkreise beinhaltet. Die zwei Abteilungen der Transitions- und Turbulenzforschung des IAG stellen hierbei den größten Anteil einer einzelnen Forschungseinrichtung. Im Stuttgarter Hyperschall-Sonderforschungsbereich 259 sind zwei Grenzschichtprojekte unserer Gruppen vertreten. Im Vortrag werden Beispiele laufender Arbeiten gezeigt.