Kalibrierung des virtuellen Windkanals

Die zumindest bzgl. Schwerpunkt respektablen Werte waren kein Selbstläufer. So wie die Tief- und Hochdeckervariante der untersuchten Modellflug-Enten gerechnet wurden, wäre für die Katana S 50E V.2 eine Schwerpunktposition etwa 20 mm hinter dem experimentell ermittelten Wert vorhergesagt worden.  Das war nicht ganz befriedigend.

Grundsätzlich gibt es in einem virtuellen Windkanal in dem Paket von Methoden Elemente, die einmal festgelegt wie Typ der räumlichen Diskretisierung - hier reguläres, rechtwinkliges Gitter vom Typ Arakawa C mit variablem Gitterpunksabstand - und Typ der zeitlichen Disktretisierung - hier implizit - nicht einfach verändert werden können auch Parameter, die entweder in den partiellen Differentialgleichungen verwendet werden oder zusätzliche Operationen wie Minimal- bzw. Maximalwerte, die eventuell verschwiegen werden als auch Diskretisierungen, die für die Genauigkeit der Berechnung von Operatoren verantwortlich sind.

Der virtuelle Windkanal wurde als Folge zahlreicher Sensitivitätsstudien an 2 Stellen verändert.

1. Die Diskretisierungen der Terme für den Transport wurden ausgetauscht, sodass u.a. wichtig für die Druckverteilung der Impuls exakt erhalten wird, wenn dieser von einer Zelle in die nächste transportiert wird. Ich war allerdings erstaunt, dass die optional verfügbaren, impulserhaltenden Diskretisierungen selbst noch 20% Abweichungen in der sich ergebenden Fluggeschwindigkeit liefern konnten. Nicht ganz unerwartet hat die Diskretisierung gewonnen, bei der aufgrund des Gittertyps (x-, y- und z-Komponente des Impulses liegen nicht am gleichen Ort) die Anzahl der Mittelungen minimiert waren.
2. Zentrale Größe in der Strömungsmechanik ist die Reynoldsche Zahl, die u.a. ein Maß für die Viskosität ist. Die Viskosität im virtuellen Windkanal setzt sich zusammen aus einem molekularen Anteil, einem Anteil der z.B. über eine Turbulenzschließung entsteht und der durch Wirbel eventuell einen kräftigen Beitrag zur Viskosität liefert und Mechanismen, die traditionell durch Filtertechniken zum stabilen Verhalten aller Algorithmen beitragen. Letztere wurden, weil nicht notwendig, rigoros entfernt, sodass die einzigen Filter diejenigen sind, die über die Diffusionskoeffizienten und damit über die Turbulenzschließung in die Gleichungen eingehen. Die Lektion war, dass die noch für mich unbekannte Konstante C1, die ich instinktiv auf den Wert 2.0 für die Enten-Simulationen gesetzt hatte, nicht verändert werden musste. Diese Konstante beeinflußt den Auftrieb und damit den notwendigen Anstellwinkel. Der Anstellwinkel entscheidet seinerseits über die Anströmung des Höhenleitwerks - dieses liegt bei der Katana S 50E V.2 30 mm über dem Niveau der Tragfläche - und trägt damit über den Beitrag zum Auftrieb und mit seinem großen Hebel zum Schwerpunkt zur Position des Druckpunktes bei.