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On the Simulation of Turbulent Fluid-Structure Interaction

Ali, Awais :
On the Simulation of Turbulent Fluid-Structure Interaction.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5990]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5990

Kurzbeschreibung (Abstract)

The fluid-structure interaction (FSI) phenomena are relevant in a significant number of naturally occurring as well as industrial applications. Simulations of FSI have gained noteworthy attention with rapid advancements of computational technology in the last decade. Efficiency and accuracy of these simulations are still a concern, specially with a turbulent flow, the challenge is compounded by an additional computational cost for a turbulence modeling approach. Partitioned coupling approaches owing to software modularity and reusability are favored by engineers to solve FSI problems. The turbulence in flow is simulated through models with varying levels of complexity and computational requirements. In industrial applications, the use of Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) modeling of turbulence is dominant, whereas turbulence resolving approaches like Large-Eddy simulation (LES) are still not considered feasible due to computational requirements. To get as much accuracy by using as least as possible computer resources, a reasonable compromise are hybrid RANS-LES of turbulence, which are becoming more and more frequent. The goal of this work is to enable efficient and reliable simulations of FSI in turbulent flow. To this end, validation studies of three different turbulence modeling approaches available in the in-house flow solver FASTEST are performed. The structural subproblem in the coupling environment is solved with the Finite Element Method based code FEAP, while the data transfer and interpolation on non-matching grid interfaces can be handled with MpCCI or preCICE. For this work, the turbulence modeling approaches in FASTEST are extended with an implementation of the Wall Adapting Local Eddy (WALE) viscosity model for LES, and a validation study of the model is performed for a two dimensional periodic hill flow test case. An economical method based on a Poisson equation for the calculation of the nearest wall distance is also implemented, which is required by some turbulence models. The accuracy of the method is assessed with two computations on stationary grids. In turbulent flow simulations with moving grids, the height of cells on a wall changes and it can make a wall treatment approach unsuitable. This issue is addressed with an implementation of wall boundary conditions that work regardless of the first cell position in a boundary layer. The implementation is tested on stationary grids in a channel flow with a variation of the first cell height on the wall. A test of the method with an FSI test case showed satisfactory results. Validation studies of a RANS and a hybrid RANS-LES approach are performed with simulations of two FSI test cases. The two and three dimensional RANS and the hybrid RANS-LES produce a good agreement with the experimental results for oscillation characteristics of the structure. A hybrid RANS-LES and an LES is performed for another FSI test case with a very dense mesh. The LES and the hybrid RANS-LES on two different, but relatively dense meshes produced very similar results with a satisfactory prediction of the structural deflections.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Ali, Awais
Titel: On the Simulation of Turbulent Fluid-Structure Interaction
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

The fluid-structure interaction (FSI) phenomena are relevant in a significant number of naturally occurring as well as industrial applications. Simulations of FSI have gained noteworthy attention with rapid advancements of computational technology in the last decade. Efficiency and accuracy of these simulations are still a concern, specially with a turbulent flow, the challenge is compounded by an additional computational cost for a turbulence modeling approach. Partitioned coupling approaches owing to software modularity and reusability are favored by engineers to solve FSI problems. The turbulence in flow is simulated through models with varying levels of complexity and computational requirements. In industrial applications, the use of Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) modeling of turbulence is dominant, whereas turbulence resolving approaches like Large-Eddy simulation (LES) are still not considered feasible due to computational requirements. To get as much accuracy by using as least as possible computer resources, a reasonable compromise are hybrid RANS-LES of turbulence, which are becoming more and more frequent. The goal of this work is to enable efficient and reliable simulations of FSI in turbulent flow. To this end, validation studies of three different turbulence modeling approaches available in the in-house flow solver FASTEST are performed. The structural subproblem in the coupling environment is solved with the Finite Element Method based code FEAP, while the data transfer and interpolation on non-matching grid interfaces can be handled with MpCCI or preCICE. For this work, the turbulence modeling approaches in FASTEST are extended with an implementation of the Wall Adapting Local Eddy (WALE) viscosity model for LES, and a validation study of the model is performed for a two dimensional periodic hill flow test case. An economical method based on a Poisson equation for the calculation of the nearest wall distance is also implemented, which is required by some turbulence models. The accuracy of the method is assessed with two computations on stationary grids. In turbulent flow simulations with moving grids, the height of cells on a wall changes and it can make a wall treatment approach unsuitable. This issue is addressed with an implementation of wall boundary conditions that work regardless of the first cell position in a boundary layer. The implementation is tested on stationary grids in a channel flow with a variation of the first cell height on the wall. A test of the method with an FSI test case showed satisfactory results. Validation studies of a RANS and a hybrid RANS-LES approach are performed with simulations of two FSI test cases. The two and three dimensional RANS and the hybrid RANS-LES produce a good agreement with the experimental results for oscillation characteristics of the structure. A hybrid RANS-LES and an LES is performed for another FSI test case with a very dense mesh. The LES and the hybrid RANS-LES on two different, but relatively dense meshes produced very similar results with a satisfactory prediction of the structural deflections.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Numerische Berechnungsverfahren im Maschinenbau (FNB)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Numerische Berechnungsverfahren im Maschinenbau (FNB) > Numerische Berechnungsverfahren
Hinterlegungsdatum: 19 Feb 2017 20:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5990
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59903
Gutachter / Prüfer: Schäfer, Prof. Dr. Michael ; Janicka, Prof. Dr. Johannes
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 8 Februar 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Das Phänomen der Fluid-Struktur Interaktion (FSI) spielt sowohl in der Natur, als auch in der industriellen Anwendung, in einer Vielzahl von Vorgängen eine wichtige Rolle. Mit der raschen Weiterentwicklung der Computertechnologie ist das Interesse an FSI-Simulationen innerhalb der letzten zehn Jahre beachtenswert angestiegen. Für diese Simulationen sind Effizienz und Genauigkeit sehr wichtige Aspekte, insbesondere wenn die Strömung turbulent ist, denn hier treten zusätzliche Berechnungskosten für die Modellierungsansätze der Turbulenz auf. Als Kopplungsansatz werden von Ingenieuren gerne sogenannte partitionierte Kopplungsmethoden verwendet, da diese die Modularität und Wiederverwendbarkeit bereits vorhandener Software ausnutzen können. Dabei wird die turbulente Strömung mit Hilfe von Modellen unterschiedlicher Komplexität und unterschiedlichen Anforderungen an die Computerressourcen simuliert. Im industriellen Kontext wird überwiegend mit Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) Modellen gearbeitet, denn Methoden, die die turbulenten Skalen auflösen, wie z.B. die Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation, LES), gelten wegen der hohen Anforderungen an die Rechnerressouren, als nicht durchführbar. Um eine möglichist hohe Genauigkeit mit einem akzeptablen Rechenaufwand zu erzielen, gewinnen die hybriden RANS-LES, die einen Kompromiss beider Methoden darstellen, immer mehr an Bedeutung. Das Ziel dieser Arbeit ist es, effiziente und zuverlässige FSI-Simulationen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck werden Validierungsuntersuchungen mit drei unterschiedlichen Modellierungsansätzen, die im fachgebietsinternen Strömungslöser FASTEST vorhanden sind, durchgeführt. In der Kopplungsumgebung wird das Strukturproblem mittels des Finite Elemente Programms FEAP gelöst, und die Daten zwischen FEAP und FASTEST mit den Kopplungstools MpCCI oder preCICE am "non matching grid interface" ausgetauscht und interpoliert. Für diese Arbeit wurden die Turbulenzmodelle in FASTEST mit einer Implementierung des "Wall Adapting Local Eddy, (WALE)" -Viskositätsmodells für LES erweitert, und eine Validierungsstudie anhand eines zweidimensionalen, periodischen Hügel-Testfalls durchgeführt. Zur Bestimmung des Wandabstandes, der für einige Turbulenzmodelle benötigt wird, wurde eine sparsame, auf der Poisson-Gleichung beruhende, Methode implementiert und die Genauigigkeit der Methode unter der Verwendung von Berechnungen auf zwei stationären Gittern bestimmt. Auf bewegten Gittern ändert sich die Höhe der wandnächsten Zellen, damit kann die Wandbehandlung einiger Turbulenzmodelle unbrauchbar werden. Diesem Umstand wurde mit der Implementierung von Wandrandbedingungen entgegengewirkt, die unabhängig von der Position der ersten Zelle in der Wandschicht sind. Die Implementierung wurde an einer stationären Kanalströmung mit veränderten Wandzellhöhen getestet. Eine Studie der Methode mit einem FSI-Testfall zeigt zufriedenstellende Ergebnisse. Desweiteren wurden Validierungsuntersuchungen eines RANS und eines hybriden RANS-LES Ansatzes an zwei FSI-Testfällen durchgeführt. Die zwei- und dreidimensionalen RANS-Simulationen und die hybride RANS-LES zeigen für die Schwingungscharakteristik der Strukutr eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Ein weiterer FSI-Testfall wurde mit einer hybriden RANS-LES und einer LES auf sehr feinen Gittern berechnet. Die LES und die hybride RANS-LES auf unterschiedlichen, aber sehr feinen Gittern zeigen sehr ähnliche Ergebnisse mit einer zufriedenstellenden Vorhersage der Strukturbewegung.Deutsch
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