Energieerhaltung

Die physiklastige Ausbildung und der berufliche Werdegang hat mich gelehrt, welche Rolle Prinzipien in unserer Welt spielen. Dazu gehört u.a. die Energieerhaltung. In den vielen im Internet verfügbaren Publikationen fehlt mir die Rückkopplung der für das Turbulenzmodell erzeugten bzw. durch Dissipation vernichteten turbulenten, kinetischen Energie TKE auf den CFD-Teil des Gesamtmodells. Ich habe deshalb wie unter Windkanal/Diskussion Punkt #5 beschrieben, wie die produzierte turbulente, kinetische Energie dem mittleren Geschwindigkeitsfeld entzogen und die durch Dissipation vernichtete turbulente, kinetische Energie TKE  dem Temperaturfeld hinzugefügt wird.
Für die Simulation des Profils HS 117 habe ich erstmalig den Algorithmus scharf geschaltet. Anzumerken ist, dass die Produktion von TKE eine skalare Größe ist und es nicht ermöglicht, selektiv die Geschwindigkeitskomponenten mit einer zugehörigen, individuellen Änderung zu versorgen. Deshalb wird eine Näherungslösung verwendet. Bild HS117K2UVW zeigt dazu die skalare Geschwindigkeitsreduktion der durch den CFD-Teil simulierten mittleren Geschwindigkeit aufgrund der Erzeugung von turbulenter, kinetischer Energie TKE im Turbulenz-Modell. D.h. es wird kinetische Energie aus der mittleren Strömung umverteilt in turbulente, kinetische Energie. Diese wird vom Turbulenzmodell verarbeitet bis die TKE durch Dissipation im Temperaturfeld landet. Wenn alles sauber numerisch umgesetzt ist, sollte die Summe aus mechanischer und thermischer Energie eine Erhaltungsgröße sein.
Für die Simulation des Profils HS 117 entsteht für die vorgegebenen Randbedingungen keine starke Turbulenz. Um auch ein Gefühl zu bekommen, zeigt Bild HS117T die Temperaturänderung, die durch Dissipation von TKE entsteht. Die Werte liegen bei ca. 6 milliKelvin und sind damit für diese Simulation als weitgehend irrelevant anzusehen. Gleiches gilt für das Strömungsfeld, das zwar formal durch die produzierte TKE abgebremst wird, aber nicht in einem Umfang, dass es die Ergebnisse spürbar ändert. Bei anderen Simulationen, bei denen erheblich mehr TKE erzeugt und vernichtet wird, ist der Beitrag eventuell doch bemerkbar, insbesondere wenn man versucht, Beiwerte bzw. Kennzahlen präzise zu ermitteln.
Bild HS117T zeigt aber auch ein für mich erstaunliches Phänomen. Sobald TKE erzeugt wird, wird diese auch wieder dissipiert, in Wärme umgewandelt und verzögert damit das Anwachsen der TKE. Zentrale Größe ist die Längenskala L im Nenner der Parametrisierung der Dissipation. Dessen Minimalwert habe ich gemäß einer Abschätzung inzwischen auf nur 20 µm festgelegt, also auf einen Wert, unter dem die molekulare Viskosität die Neubildung von Turbulenz unterbindet.