Flow around a NACA 4415 Wing Model

At the Hochschule Karlsruhe, Germany, a NACA model 4415 was tested in a wind tunnel by students as part of a fluid mechanical lecture. The experiment was done for different approach angles of the NACA-model. The experiment was also simulated with CFD-tools such as NOGRID points. We outline the physical problem and results obtained by NOGRID pointsfor an approach angle of 20°. 


Physical model

The wind tunnel is modeled by a sufficiently large cuboid flow domain with "open" faces: Except for the inflow face the other five faces are outflow faces with a zero Dirichlet boundary condition for the pressure and zero Neumann boundary condition for the velocity. Using a "closed" box with only a small outflow area, opposite to the inflow area, would require a much larger fluid domain as otherwise the dynamic pressure would considerably increase.

At the inflow face the air flows in at 35.7 m/s in a circular area with a diameter of 0.35 m, outside the area the velocity is set to zero. This reflects the blast nozzle of the wind tunnel sufficiently well.

The faces of the NACA-model carry a wall slip condition. Compared to a noslip condition this yields much better numerical results as it avoids very large gradients of the velocity especially at the front of the model and it introduces only a small error.

CFD meshless flow similation physic
Figure 1: A cut through the cuboid flow domain with the NACA model, the inflow is at the right hand side

The preprocessing required by the meshless CFD simulation software NOGRID pointsmainly comprises the input of the above physical model parameters and the choosing of a smoothing length distribution, which effectively determines the density of points for the computation. As we are interested in the pressure profile at the surface of the NACA model we increase the density around the model. The high pressure gradient at the front of the model and the thinness at the back require an even higher density (or equivalently a smaller smoothing length). The distribution is shown in figure 2.

Smoothing length simulation
Figure 2: The smoothing length (which determines the point density) in the flow domain

 

Comparison of experiment and simulation

In figure 3 and 4 path integration yields stream traces, which show the typical wake vortex generated by the positive and negative dynamic pressure below and above the NACA-model, respectively.

In order to verify the simulation quantitatively as well, the measured pressure profile along the surface of the NACA-model is compared to the simulation. The experimental data and the simulation data are presented in figure 5. They show a very good agreement of the experiment and the simulation. The small differences are probably due to small simplifications done in the model such as the rather small fluid domain, the omission of the suspension gear of the model and the simplified blast nozzle of the wind tunnel.

NACA Model with stream traces meshless CFD
Figure 3: NACA-Model with stream traces

NACA-Model with stream traces meshless CFD

Figure 4: NACA-Model with stream traces seen from behind the model

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
Figure 5: Comparison of experiment and simulation

 

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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 Windtunnel getestet. Das Experiment wurde für verschiedene Annäherungswinkel des NACA-Modells gemacht. Das Experiment wurde auch mit CFD-Tools wie NOGRID points simuliert. Wir stellen kurz das physikalische Problem samt Ergebnissen nach Simulation mit NOGRID points für einen Annäherungswinkel von 20° dar.


Physikalisches Modell

Der Windtunnel wird durch ein ausreichend großes kubisches Strömungsgebiet mit "offenen" Flächen dargestellt: Außer der Inflow Fläche sind alle anderen fünf Flächen Outflow-Flächen mit einer Dirichlet Randbedingung von null für den Druck und einer Neumann Randbedingung für die Geschwindigkeit von null. Würde man eine "geschlossene" Box mit nur einem kleinen Outflowbereich benutzen, bräuchte man eine viel größere Fluid Domain, sonst würde der dynamische Druck beträchtlich steigen.
An der Inflow-Fläche strömt die Luft in 35.7 m/s in einen kreisförmigen Bereich mit dem Durchmesser von 0,35 m, außerhalb dieses Bereiches ist die Geschwindigkeit gleich null. Das spiegelt die Strahldüse des Windtunnels wider.

Die Flächen des NACA-Modells tragen eine "Wall-Slip-Condition". Im Vergleich zu einer "No-Slip-Condition" erhält man hier viel bessere numerische Ergebnisse, da große Geschwindigkeitsgradienten vermieden werden, vor allem auf der vorderen Seite des Modells. Die Messungenauigkeiten sind gering.

 

CFD meshless flow similation physic

Abb. 1: Ein Schnitt durch eine kubische Flow Domain mit dem NACA Modell, der Inflow befindet sich auf der rechten Seite
 

Das für NOGRID points erforderliche Pre-Processing beinhaltet überwiegend den Input der Parameter des obigen physikalischen Modells und die Auswahl der Glättungslängenverteilung (die Anzahl und Verteilung der finiten Punkte in dem Volumen), die effektiv die Dichte der finiten Punkte für die Berechnung beeinflusst. Da wir am Druckprofil an der Oberfläche des NACA-Modells interessiert sind, erhöhen wir die Anzahl der finiten Punkte rund um das Modell. Der hohe Druckgradient an der Vorderseite des Modells und die dünne Fläche auf der Rückseite erfordern ebenfals eine höhere finite Punktdichte (oder eine entsprechend kleinere Glättungslänge). Die Verteilung der Glättungslänge wird in Abb. 2 dargestellt.

Smoothing length simulation

Abb. 2: Die Glättungslänge (smoothing length) determiniert die finite Punktedichte im Strömungsgebiet

 

Vergleich zwischen Experiment und Simulation

In Abbildung 3 und 4 liefert die Pfadintegration die Stromlinien, die den typischen Windschatten-Wirbel zeigen, der durch den positiven und negativen dynamischen Druck unter bzw. über dem NACE-Modell erzeugt wird.


Um die Simulation auch quantitativ zu verifizieren, wurde der gemessene Druck entlang der Oberfläche des NACA-Modells mit der Simulation verglichen. Die experimentellen Daten und die Simulationsdaten werden in Abb. 5 dargestellt. Sie zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Die kleinen Unterschiede sind wahrscheinlich durch die geringen Vereinfachungen im Modell bedingt, wie beispielsweise das eher kleine Strömungsbebiet, das Weglassen der Aufhängungseinheit des Modells und die vereinfachte Strahldüse des Windtunnels.

 

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

 

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Wärmetauscher

Wenn Sie eine thermische Analyse mit Hilfe von Simulation machen möchten, ist unsere gitterfreie CFD Simulationssoftware NOGRID pointseine hervorragende Wahl. Importieren Sie  ein geometrisches Modell entweder aus Ihrem CAD-System oder erstellen Sie es mit unserem CAD Präprozessor Compass.Generieren Sie darauf aufbauend in kurzer Zeit (im Vergleich zu netzbasierten Methoden) ein Computermodell und prognostizieren Sie die spezifischen thermischen Charakteristika.

NOGRID points zeigt, wie die Wärme übertragen wird: Entweder durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder durch Konvektion, d. h. durch die Strömung einer Flüssigkeit. Sie können auch alle Arten von Wärmeübertragungsmechanismen verbinden. Das Beispiel unten zeigt einen Schwimmkopfwärmetauscher mit zwei Flüssigkeiten. Dieses Modell vermittelt ein besseres Verständnis für den Wärmetauschprozess und hilft Ihnen, Ihr Design hinsichtlich Effizienz und Kosten zu verbessern.

Sollte in unserer Software irgendein Feature fehlen, das Sie für Ihre Zwecke benötigen, lassen Sie es uns bitte wissen, wir implementieren es gerne für Sie.

 

HeatexchangerAbb. 1: Schwimmkopfwärmetauscher

NOGRID points eignet sich perfekt zum Designen und zur Lösung von Problemen, die bei Wärmetauschern auftreten können und ermöglicht die Prognose der thermischen Homogenisierung und der Kühl/Heizrate. Visualisieren Sie mit Hilfe von NOGRID points Masse, Geschwindigkeitsverteilung und Wärmeübergang bei einfachen und Mehrphasenströmungen im Wärmetauscher und  lernen Sie, die Strömung zu verstehen. Sie erhalten integrale Größen, die Sie dafür verwenden können, die Effizienz von Wärmetauschvorgängen zu analysieren. Zusätzlich können Sie ganz einfach Animationen von Partikelbahnen erstellen (siehe Abbildung 2).

Heatexchanger

Abb 2: Partikelbahnen beider Flüssigkeiten im Wärmetauscher

 

Experten für Wärmetauscher

Für die Lösung Ihrer thermischen Fälle bietet NOGRID neben exzellenter Simulationssoftware auch Expertenservice an. Unsere  Servicemitarbeiter sind hoch qualifiziert und sind Experten für die Modellierung aller möglichen Prozesse. Sie kennen die komplexe Physik von Multiphasenströmungen und können Ihnen dabei helfen herauszufinden, wie Ihre Prozesse verbessert werden können und dadurch noch erfolgreicher zu sein.

Leicht anzuwenden

1. Konstruieren oder importieren Sie ein geometrisches Modell mit Hilfe unseres Präprozessor-CAD-Tools Compass

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Abb. 3: CAD-Modell, erstellt in NOGRID points

2. Stellen Sie alle Parameter wie die Massenströmungsrate oder die Material/Fluideigenschaften ein

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Abb. 4: Parametereinstellung in NOGRID points

3. Führen Sie eine CFD-Simulation durch

 

Was ist CFD von NOGRID?

CFD löst die fundamentalen Gleichungen, die den Strömungsprozess definieren. CFD Software von NOGRID hilft jedem Ingenieur dabei, bessere Entscheidungen treffen – durch Vorhersage, Analyse und Kontrolle von Strömung, Wärme- und Massenübertragung oder der chemischen Reaktion. Durch die Verwendung von NOGRID Simulationssoftware erhalten Sie Informationen über essentielle Strömungseigenschaften, wie beispielsweise die Strömungsverteilung. Wenn Sie die Software zusätzlich zum Testen oder für Experimente einsetzen, hilft Ihnen die NOGRID Software dabei, die Bewertung Ihres Designs zu verbessern, was zu besseren Konstruktions- und Betriebsparametern führt. Darüber hinaus steigt Ihre Planungssicherheit und Sie sparen Zeit und Geld dadurch, dass Sie Ihr Produkt schneller auf den Markt bringen können.

Entscheiden Sie sich für NOGRID

Mit NOGRID entscheiden Sie sich für professionelle CFD Simulationssoftware und exzellenten Service. Unser Ziel ist es, Ihnen dabei zu helfen, noch erfolgreicher zu sein. Wir sind ein dynamisches Team mit flachen Hierarchien und kurzen Informationswegen. Dadurch können wir Sie mit schnellem Support und Service begleiten und auf Ihre individuellen Anfragen flexibel reagieren. Unsere Mitarbeiter sind hoch qualifizierte Experten in numerischer Simulation und Computational Fluid Dynamics (CFD).

Wir bieten folgende Serviceprodukte an und stellen uns dabei auf Ihre individuellen Bedürfnisse ein:

TRAINING

In unseren zweitägigen Trainingskursen lernen Sie, wie Sie NOGRID CFD Simulationssoftware effizient anwenden. Unser technisches Support-Team zeigt Ihnen, wie bestimmte Fälle behandelt und gelöst werden.

TECHNISCHER SUPPORT

Wir bieten professionellen und schnellen Support, und zwar von der ersten Minute an, in der Sie unsere Software nutzen. Kontaktieren Sie uns, wann immer Sie uns brauchen, per Telefon oder per Email.

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Oft sind Zeit und Ressourcen knapp bemessen, so dass das Outsourcen von Simulationsaufgaben eine attraktive Alternative sein kann, anstehende Simulationen zu bearbeiten. Wir bieten eine Fülle von Serviceleistungen auf dem Gebiet der Simulation von Strömungen an, die Ihren individuellen Bedürfnissen gerecht werden.

 

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