Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Anabilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı

A finite volume based in-house large eddy simulation solver for turbulent flows in complex geometries

Karmaşık geometrilerde türbülanslı akışlar için sonlu hacimler yöntemine dayanan özgün büyük girdap benzetimi çözücüsü

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 559291 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

In this study, the capabilities of the in-house, modular, scalable LES flow solver lestr3d are improved for the high fidelity solutions of turbulent flows in complex geometries lestr3d is a finite volume based solver developed for the solution of the compressible LES equations and uses Jameson-Schmidt-Turkel artificial dissipation scheme for avoiding the oscillations caused by the central scheme The solver is written in FORTRAN programming language and the parallellization of the code is carried out by using MPI libraries Accurate representation of turbulent flow field is important to obtain realistic evolution of the flow structures The procedure for flux evaluation has critical effects on the spatial accuracy and introduced numerical errors during the simulation In order to obtain a better resolution of turbulent scales, low dissipation and low dispersion (LD) scheme is implemented for the calculation of the convective fluxes Furthermore, a modification for the evaluation of the gradients at the faces for viscous flux calculation is carried out to avoid odd-even decoupling of the solution Improvement of the spatial resolution of the solver is presented with the results of Taylor-Green vortex case where the LD procedure performs better for resolving the smaller flow structures compared to standard averaging for central scheme Moreover, the spatial accuracy of the solver is examined by the isentropic vortex convection case Results show that a second order convergence is obtained with increasing grid resolution Other than the numerical scheme, the inlet boundary condition has significant effects on the development of realistic turbulent structures downstream of the inlet plane as incoming turbulent flow is present in many real life engineering applications As the solver resolves the time dependent turbulent flow structures, it is in need of time dependent inflow boundary condition In the present study, synthetic turbulence generation technique is used to generate time varying velocity field for the inlet boundary condition Some important features of the implemented methodology is that the generated field varies stochastically, compatible with governing equations and contains spatial and temporal correlations The latter two are especially important for the development of realistic turbulence and distinguish the method from the white-noise techniques for generating unsteady boundary condition The demonstration of the implemented method is made with the simulation of the flow over backward facing step Results are compared with experimental and another LES study, both having unsteady inlet flow where the latter uses white-noise based technique for the generation of the unsteady boundary condition The synthetic turbulence generation technique is observed to be more successful than the white-noise based method in terms of inducing unsteady behaviour in the flow domain Scalability of the solver is very important for high fidelity solutions of turbulent flows Both high Reynolds number of the interested flows and presence of wall boundaries give rise to a necessity to use grids with high number of elements Efficient distribution of the computational load to processing units becomes crucial at this point, for obtaining results in reasonable times Scalability performance of the present solver is examined up to 896 cores with a fixed sized problem Solver shows an excellent speed-up performance and the communication budget remains below 50% in the test with 896 cores Results of the scalability tests show that the communication between processing units is handled efficiently without a blockage Focusing on the physics being simulated, the modelling of the sub-grid scale stress term becomes important for the applications of wall bounded turbulent flows Scale separation and the energy cascade scenario changes significantly when approached to wall boundaries In near wall regions, small scale turbulent structures are not just responsible for the dissipation, but also generates turbulent kinetic energy, which is then transferred to larger scales Thus correct prediction of sub-grid scale contributions at near wall regions becomes significant for turbulent flows With the help of the modular structure of the code, implementations of wall adapting eddy viscosity (WALE) and k-equation model are carried out WALE model is a zero equation model, which is able to predict correct eddy viscosity distribution near wall without use of a damping function ...

Özetin tamamını okumak için tez.yok.gov.tr adresine gidin.

Summary:

Bu tez kapsamında, karmaşık geometrilerde türbülanslı akışların yüksek doğrulukla çözümü için geliştirilen lestr3d LES akış çözücüsünün hesaplama başarımının arttırılması ele alınmıştır lestr3d akış çözücüsü, sıkıştırılabilir akışı yöneten Navier-Stokes denklemlerini, sonlu hacimler yöntemine dayanarak çözmektedir Merkezi uzaysal ayrıklaştırma şeması kullanılmakta ve ortaya çıkan numerik kaynaklı osilasyonları önlemek adına Jameson-Schmidt-Turkel yapay sönüm şemasından yararlanılmaktadır Çözücü, FORTRAN programlama dili kullanılarak yazılmış olup, MPI kütüphaneleri kullanılarak çoklu işlemcide çalıştırılabilmektedir Kodun ölçeklenebilirlik performansı 896 çekirdeğe kadar gösterilmiştir Sonuçlar, artan işlemci sayısıyla çözüm hızında ideale yakın bir artış olduğunu ve kodun verimli bir şekilde çoklu işlemcide çalışabildiğini göstermektedir Türbülanslı akış alanının gerçekçi benzetiminin yapılabilmesi adına hücre sınırlarındaki akı hesabının hassas bir şekilde gerçekleştirilmesi önemlidir Bu aşamada kullanılan yöntem, sönüm veya saçılım gibi numerik hatalara sebebiyet verebilmektedir Bu hataları mümkün olduğunca azaltmak ve türbülans yapılarını uzaysal olarak daha hassas çözümlemek adına, konvektif akı hesabının gerçekleştirilmesi için düşük sönüm ve düşük saçılım (LD) şeması çözücüye eklenmiştir Bunun yanında viskoz akı hesabında da, numerik kaynaklı osilasyonları önlemek amacıyla modifikasyon yapılmıştır Eklenen şemalar ile çözücünün türbülans yapılarını benzetim kabiliyetindeki artış, Taylor-Green vorteks problemi ile gösterilmiştir LD şeması ve direkt ortalamaya dayalı merkezi şema karşılaştırılmış, LD şemasının aynı çözüm ağında, Taylor-Green probleminde ortaya çıkan küçük türbülans yapılarının etkilerini daha iyi yakaladığı gözlenmiştir Bunun yanında çözücünün, sayısal yöntem kaynaklı sönüm karakteristiği, literatürdeki yüksek mertebeli bir çözücüyle karşılaştırmalı olarak incelenmiştir Bunun dışında, lestr3d çözücüsünün uzaysal mertebesini incelemek adına izantropik vorteks taşınım problemi çözülmüştür Viskoz olmayan bu problemde, analitik denklemlerle oluşturulan vorteks, ana akış tarafından taşınmaktadır Belirli bir süre sonrasında sayısal çözüm analitik sonuçla karşılaştırılarak hata miktarı ölçülmekte ve test, hassaslıkları değişen çözüm ağlarında tekrarlanmaktadır Bu testler sonucunda kullanılan numerik şemanın, düzenli çözüm ağlarında uzaysal doğruluğunun ikinci mertebe olduğu gösterilmiştir Zamana bağlı akışın doğru benzetimi için, sayısal şemanın yanı sıra sınır koşullarının da uygun bir şekilde tanımlanması önemli bir gerekliliktir Gerçek mühendislik uygulamalarında, türbülanslı giriş sınır koşulu ile sıklıkla karşılaşılmaktadır RANS çözümü için türbülanslı sınır koşulunun istatistiksel özellikleri yeterli iken, LES metodolojisinin zamana bağlı yapısı sebebiyle sınır koşulu olarak tanımlanan hız alanının da zamana bağlı olarak üretilmesi gerekmektedir Tez kapsamında zamana bağlı türbülanslı giriş sınır koşulunun üretilmesi için sentetik türbülans üretim tekniği uygulanmıştır Üretilen hız alanının önemli bazı özellikleri; stokastik olarak zamanla değişiyor olması, akışı yöneten denklemlere uygun olması, uzay ve zamanda korelasyona sahip olmasıdır Belirtilen son iki özellik, uygulanan yöntemi, beyaz gürültüye dayalı tekniklerden ayırmaktadır Sınır koşulunun etkileri, ters basamak akışı problemi çözülerek incelenmiştir Elde edilen sonuçlar, deneysel verilerle ve beyaz gürültü tekniğinin kullanıldığı başka bir LES çalışması ile karşılaştırılmıştır Sentetik türbülans üretim metodunun özellikle akış yönündeki türbülans aktivitesini, beyaz gürültü kullanılan yönteme oranla önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür Fakat akış yönündeki türbülans kinetik enerjisinin, akışa dik ve açıklık yönündeki bileşenlere efektif bir şekilde aktarılmadığı gözlenmiştir Bunun yanında, daha yüksek Reynolds sayısında kanal akışı simülasyonu gerçekleştirilmiş ve sentetik türbülans üretim tekniğinin, viskoz etkilerin azalması ile başarılı şekilde türbülansa geçişi tetiklediği gösterilmiştir LES metodolojisinde önemli yere sahip bir diğer konu ise ağ-altı ölçek türbülans yapılarının modellenmesidir Duvarla çevrili akışlarda, duvara yaklaşıldıkça büyük ve küçük türbülans yapılarının uzaysal ölçekleri birbirlerine yakınlaşmaktadır Bu alanlarda küçük yapılar, türbülans kinetik enerjisinin duvardan uzağa transferinden de sorumludur dolayısıyla ağ-altı modellerin de duvar yakınındaki davranışları önem kazanmaktadır Smagorinsky modeli edi viskozitesi yaklaşımına dayanan ve yaygın olarak kullanılan bir ağ-altı ölçek modelidir Smagorinsky modelinin yanında, wall adapting local eddy viscosity (WALE) modeli ve k-equation, tek denklemli ağ-altı ölçek modeli çözücüye eklenmiştir ...

For full summary, please go to tez.yok.gov.tr.