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NACA FLÜGEL 4415

An der Hochschule Karlsruhe wurde von Studenten im Rahmen einer Fluidmechanik-Vorlesung ein NACA Modell 4415 in einem Windkanal getestet. Das Experiment wurde für verschiedene Annäherungswinkel des NACA-Modells durchgeführt. Das Experiment wurde auch mit CFD-Tools wie NOGRID points simuliert. Wir skizzieren das physikalische Problem samt Ergebnissen nach Simulation mit NOGRID points für einen Annäherungswinkel von 20°.


Physikalisches Modell

Der Windkanal wird durch eine ausreichend große quaderförmige Strömungsdomäne mit "offenen" Flächen modelliert: Mit Ausnahme der Einströmfläche sind die anderen fünf Flächen Ausströmflächen mit einer Dirichlet-Randbedingung von Null für den Druck und einer Neumann-Randbedingung von Null für die Geschwindigkeit. Die Verwendung eines "geschlossenen" Kastens mit nur einem kleinen Abflussbereich gegenüber dem Zuflussbereich würde eine viel größere Fluiddomäne erfordern, da sonst der dynamische Druck erheblich ansteigen würde.

An der Einströmfläche strömt die Luft mit 35,7 m / s in einer kreisförmigen Fläche mit einem Durchmesser von 0,35 m ein, außerhalb der Fläche wird die Geschwindigkeit auf Null gesetzt.

Dies spiegelt die Strahldüse des Windkanals ausreichend gut wider.

Die Flächen des NACA-Modells weisen eine „Wall-Slip“-Bedingung auf. Im Vergleich zu einer „Noslip“-Bedingung liefert dies viel bessere numerische Ergebnisse, da sehr große Geschwindigkeitsgradienten insbesondere an der Vorderseite des Modells vermieden werden und nur ein kleiner Fehler auftritt.

CFD meshless flow similation physic

Abb. 1: Ein Schnitt durch eine quaderförmige Strömungsdomäne mit dem NACA-Modell; der Zufluss befindet sich auf der rechten Seite
 

Das Preprocessing, das von NOGRID points benötigt wird, umfasst hauptsächlich die Eingabe der obigen physikalischen Modellparameter und die Auswahl einer Glättungslängenverteilung, die die Dichte der Punkte für die Berechnung effektiv bestimmt. Da wir uns für das Druckprofil an der Oberfläche des NACA-Modells interessieren, erhöhen wir die Dichte um das Modell herum. Der Hochdruckgradient an der Vorderseite des Modells und die Dünnheit an der Rückseite erfordern eine noch höhere Dichte (oder entsprechend eine kleinere Glättungslänge). Die Verteilung ist in Abbildung 2 dargestellt.



Smoothing length simulation

Abb. 2: Die Glättungslänge (die die Punktedichte bestimmt) im Strömungsgebiet

 

Vergleich zwischen Experiment und Simulation

In Abbildung 3 und 4 ergeben die Pfadintegration Stromspuren, die den typischen Nachlaufwirbel zeigen, der durch den positiven und negativen dynamischen Druck unterhalb bzw. oberhalb des NACA-Modells erzeugt wird.


Um die Simulation auch quantitativ zu verifizieren, wird das gemessene Druckprofil entlang der Oberfläche des NACA-Modells mit der Simulation verglichen. Die experimentellen Daten und die Simulationsdaten sind in Abbildung 5 dargestellt. Sie zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Die kleinen Unterschiede sind wahrscheinlich auf kleine Vereinfachungen zurückzuführen, die im Modell vorgenommen wurden, wie z. B. die eher kleine Strömungsdomäne das eher kleine Strömungsgebiet, das Weglassen der Aufhängungseinheit des Modells und die vereinfachte Strahldüse des Windkanals.

 

NACA Model with stream traces meshless CFD

Abb. 3: NACA-Modell mit Stromlinien (stream traces)

 

NACA-Model with stream traces meshless CFD

Abb. 4: NACA-Modell mit Stromlinien (von der Rückseite des Modells betrachtet)

 

profile length  

dynamic pressure,
measured values     

dynamic pressure,
simulation             

0.290   50.0

  64.0

0.202 -90.0 -118.0
0.102 -330.0 -429.0
0.051 -580.0 -636.0
0.026 -740.0  -755.0
0.011 -860.0  -852.0
0.006 -930.0  -673.0
0.000  320.0  358.0
0.005  590.0  623.0
0.010  400.0  567.0
0.024  240.0  305.0
0.050  100.0  126.0
0.099   60.0   84.0
0.199   40.0   64.0
0.299   50.0  138.0

                                

Comparison experiment simulation meshless CFD

Abb. 5: Vergleich von Experiment und Simulation