Ablösung tritt in zwei Arten auf, und ihre Schwierigkeit ist völlig verschieden.
Geometrisch erzwungene Ablösung. An einer scharfen Kante hat die Strömung keine Wahl; der Ort ist durch die Geometrie festgelegt. Die Modellwahl wirkt sich kaum aus.
Druckgradientenablösung. Auf einer ebenen oder sanft gekrümmten Fläche (einem Diffusor, einer Schaufelsaugseite, einem Fahrzeugheck) ist wo die Ablösung beginnt dadurch bestimmt, wie gut die Grenzschicht dem ungünstigen Druckgradienten widersteht — also durch das Turbulenzmodell. Hier ändert die Modellwahl das Ergebnis unmittelbar.
Warum k-ε sie zu spät sieht
Das Standard-k-ε überschätzt die turbulente Viskosität unter einem ungünstigen Druckgradienten. Hohe Viskosität lässt die Grenzschicht widerstandsfähiger erscheinen, als sie ist: Die Strömung bleibt anliegend, die Ablösung beginnt zu spät oder tritt gar nicht auf. Der Vorteil von SST bei dieser Aufgabe rührt genau daher, dass es die Schubspannung begrenzt [1]. Siehe die Notiz zum Turbulenzmodell.
Wiederanlegen: die übersehene Größe
Die abgelöste Strömung legt sich eine Strecke später wieder an die Oberfläche an, und die Wärmeübertragung erreicht am Wiederanlegepunkt ihr Maximum — oft ein Mehrfaches des ungestörten Werts. In Elektronikgehäusen, bei Prallstrahlen und plötzlichen Querschnittserweiterungen sitzt dort die heiße oder kalte Stelle.
Das Netz muss das Innere der Ablöseblase mit genügend Zellen auflösen; ein Netz, das die Blase mit drei bis fünf Zellen durchquert, verfehlt sowohl den Ort des Wiederanlegens als auch das Maximum der Wärmeübertragung.
Zeitabhängigkeit
Ein Ablösegebiet ist selten stationär: Die Blase wächst und schrumpft, der Wiederanlegepunkt schwingt. Eine stationäre Lösung liefert einen Mittelwert und tut sich oft schwer zu konvergieren. Wird die Schwingung unterdrückt, wird die Physik gelöscht. Siehe die Notiz zur Konvergenz und die Notiz zu RANS/DES/LES.
Validierung
In einer Studie, in der die Ablösung bestimmt, genügt ein Modell nicht. Mindestens zwei zu rechnen und zu berichten, wie weit der Ablösepunkt wandert, ist das ehrlichste Maß dafür, wie verlässlich das Ergebnis ist.
Referenzen
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- Langtry, R. B. & Menter, F. R. (2009). Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fluid dynamics codes. AIAA Journal, 47(12), 2894–2906. DOI: 10.2514/1.42362