Turbulenssimallit aerodynaamisten sovellusten numeerisessa laskennassa

Abstract

Aerodynamiikassa ollaan kiinnostuneita ilmavirtauksessa olevaan kappaleeseen kohdistuvista voimista, sillä useiden teknisten laitteiden toiminta perustuu näiden voimien hallintaan. Esimerkiksi tuuliturbiinien energiantuotanto, ajoneuvojen ilmanvastus ja lentokoneiden kantovoima määräytyvät aerodynaamisten voimien perusteella. Aerodynaamiset voimat voidaan selvittää mittausten tai numeerisen laskennan avulla. Laskennassa voimat voidaan ratkaista, kun ensin mallinnetaan virtauksen paine- ja nopeusjakauma kappaleen pinnalla. Turbulentissa virtauksessa paine- ja nopeuskentän selvittämiseen voidaan käyttää RANS-yhtälöitä ja turbulenssimalleja. Aerodynaamisten sovellusten laskentaan käytettävien turbulenssimallien täytyy ottaa huomioon kiinteän pinnan lähellä tapahtuvat ilmiöt kuten virtauksen irtoaminen ja kitkan vaikutus rajakerroksen eri osissa. Tässä kandidaatintyössä selvitettiin, mitkä turbulenssimallit soveltuvat aerodynaamisten virtausten mallintamiseen ja laskettiin näitä malleja käyttäen kanto- ja vastusvoimakerroin NACA 0012 -siipiprofiilille viidellä eri kohtauskulmalla. Vertailuarvoina käytettiin Ladsonin [7, s. 21] tuulitunnelikokeiden tuloksia. Laskennan tulosten perusteella Spalart–Allmaras ja SST k–ω -malleja voidaan käyttää NACA 0012 -profiilin kantovoimakertoimen laskemiseen ilman yli 5 % virhettä, kun kohtauskulma on pienempi tai yhtä suuri kuin 10,11°. Vastusvoimakertoimelle vastaava kohtauskulma oli 4,11°. Myös isommilla kohtauskulmilla tulokset olivat oikean suuntaisia, mutta ero kokeellisiin tuloksiin kasvoi kulman funktiona ollen välillä 30–150 %. Testattujen turbulenssimallien vertailussa SST k–ω -mallilla saatiin hieman tarkempia tuloksia kohtauskulmilla 0° ja 4,11° ja Spalart–Allmaras-mallilla puolestaan tätä suuremmilla kohtauskulmilla. Erot tarkkuudessa olivat kuitenkin vain noin 5 %, paitsi kohtauskulmalla 19,25°, jolla Spalart–Allmaras-mallilla saatu tulos oli yli 10 % tarkempi kuin SST k–ω -mallin tulos.