Dieser Vortrag war ausgefallen und wird auf der HV 2022 nachgeholt.
Dr.-Ing. Robinson Perić, Technische Universität Hamburg; Curt-Bartsch-Preisträger 2020
Dieser Artikel hat das Ziel, den Stand der Technik zu „Forcing Zonen“ verständlich zusammenzufassen. Forcing Zonen werden insbesondere in hochgenauen Strömungssimulationen (z.B. basierend auf der Finite-Volumen-Methode) eingesetzt, um Wellenreflexionen an den Rändern des Rechengebiets zu reduzieren. Hierzu werden Quellterme in die Erhaltungsgleichungen eingebracht. Eine generische Forcing-Zonen Formulierung wird vorgestellt, und es wird dargelegt, dass verbreitete Verfahren, wie Absorbing Layers, Sponge Layers und Dämfpungszonen, Spezialfälle dieser Formulierung darstellen. Es wird gezeigt, dass das Verhalten von Forcing Zonen, insbesondere die Menge an Wellenreflexionen, analytisch vorhergesagt werden kann. Einschränkungen und Unsicherheiten der analytischen Vorhersagen werden diskutiert. Die Mechanismen, wie Forcing Zonen Wellenreflexionen reduzieren, werden erläutert. Im Gegensatz zu Rand-basierten Verfahren (wie Absorbing Boundary Conditions), bei welchen Wellenreflexionen unvorhersagbar mit der Komplexität der Strömung zunehmen, ist der Hauptvorteil von Forcing Zonen, dass sie nahezu gleich viel Wellen reflektieren, unabhängig von der Komplexität der Strömung. Dies wird anhand Ergebnissen von 2D- und 3D-Strömungssimulationen veranschaulicht.
This article gives an overview of the state-of-the-art on forcing-zone approaches, aimed at a general audience of naval architects. Forcing zones comprise a family of approaches used especially in high-accuracy flow simulations (e.g. based on the finite-volume method) to reduce wave reflections at the domain-boundaries. This is achieved by adding special source-terms in the governing equations. A generic forcing-zone formulation is presented, and it is shown that widely-used approaches, such as absorbing layers, sponge layers or damping zones, are special-cases of this formulation. It is demonstrated that the behavior of forcing-zones, especially the amount of wave reflection, can be well predicted analytically. Limitations and uncertainty of the analytical predictions are discussed. The mechanisms behind how forcing zones reduce wave reflections are explained. In contrast to boundary-based approaches (such as absorbing boundary conditions), for which wave reflection increases unpredictably with flow complexity, the main benefit of forcing zones is that they produce nearly the same amount of wave reflection regardless of the flow complexity. This is illustrated via results from 2D- and 3D-flow simulations.
