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Investigation of the Very Large Eddy Simulation Model in the Context of Fluid-Structure Interaction

Kondratyuk, Anastasia :
Investigation of the Very Large Eddy Simulation Model in the Context of Fluid-Structure Interaction.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6213]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6213

Kurzbeschreibung (Abstract)

Turbulent flows play a dominant role in most technical applications, for instance in the automobile industry or in aviation. Therefore, the correct prediction of these flows is a very important task. The numerical simulation of three-dimensional time-depended and chaotic turbulent flows requires a very high computational effort, what remains an essential problem for the simulation of such flows despite the increasing computational power. On this account the hybrid models for the numerical simulation of turbulent flows were developed. These techniques combine advantages of established turbulent basic models, such as Large Eddy Simulation (LES), Reynolds averaged Navier-Stokes equation (RANS) models and direct numerical simulation (DNS), with the goal to produce the correct results with reduced computational effort. The focus of the present study lies in the investigation of a relatively new hybrid modeling technique, the so-called very large eddy simulation (VLES) strategy, firstly on stationary grids and afterwards on moving grids. This investigation requires an extension of the turbulence modeling part in the in-house code FASTEST, from the Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering at the TU Darmstadt, with the k-ε, k-ω and ζ-f VLES models. To ensure the correct performance of the VLES model, the verification of these RANS methods with the method of manufactured solution was realized. After the verification procedure, the newly implemented VLES models were systematically validated on stationary grids. Three different flow configurations were selected to demonstrate the ability of the VLES approach to predict different types of turbulent flows, which occur most frequently in technical applications: a channel flow, a flow with massive separations and a flow over a bluff body. The k −ε and ζ −f VLES methods have shown reasonably good agreement with the reference data for all three test cases. The k − ω VLES model yielded very good results for the cylinder flow and for the two-dimensional periodic hills flow, while in the prediction of the fully developed turbulent channel flow this method demonstrated weaknesses. To improve the results of the k − ω VLES model, this method was modified by means of the introduction of a new filter width, the so-called IDDES, in the formulation of the VLES model. This modification leads to a significant improvement of the results already on a quite coarse grid. After the validation on stationary grids the VLES method was investigated on moving grids. Therefore two test cases were calculated: a flow over a forced oscillating circular cylinder and a flow over a tandem of an oscillating and a static asymmetric airfoil. The VLES method demonstrated the ability to simulate turbulent flows with strongly moving structures. The character of investigated flows was captured very well for both test cases. The last step was an investigation of the VLES approach in the context of a fluid-structure coupling, where the high computational costs play an essential role. To this end, two FSI test cases were investigated. In both cases, the VLES method demonstrated the capability to capture a variety of turbulent structures in these configurations. Other parameters available from the reference experimental data are captured very well by the VLES model. In summary, the ability of the VLES model to predict different kinds of turbulent flows correctly was demonstrated by means of different test cases on stationary as well on moving grids. For all simulations, a relatively coarse grid, in comparison to this required for the correct LES calculation, was applied. The application of this hybrid turbulence model is very promising because of its capability to predict flows with mild and massive separations more accurately than RANS methods and due to the reduced computational effort in comparison to LES approaches.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Kondratyuk, Anastasia
Titel: Investigation of the Very Large Eddy Simulation Model in the Context of Fluid-Structure Interaction
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Turbulent flows play a dominant role in most technical applications, for instance in the automobile industry or in aviation. Therefore, the correct prediction of these flows is a very important task. The numerical simulation of three-dimensional time-depended and chaotic turbulent flows requires a very high computational effort, what remains an essential problem for the simulation of such flows despite the increasing computational power. On this account the hybrid models for the numerical simulation of turbulent flows were developed. These techniques combine advantages of established turbulent basic models, such as Large Eddy Simulation (LES), Reynolds averaged Navier-Stokes equation (RANS) models and direct numerical simulation (DNS), with the goal to produce the correct results with reduced computational effort. The focus of the present study lies in the investigation of a relatively new hybrid modeling technique, the so-called very large eddy simulation (VLES) strategy, firstly on stationary grids and afterwards on moving grids. This investigation requires an extension of the turbulence modeling part in the in-house code FASTEST, from the Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering at the TU Darmstadt, with the k-ε, k-ω and ζ-f VLES models. To ensure the correct performance of the VLES model, the verification of these RANS methods with the method of manufactured solution was realized. After the verification procedure, the newly implemented VLES models were systematically validated on stationary grids. Three different flow configurations were selected to demonstrate the ability of the VLES approach to predict different types of turbulent flows, which occur most frequently in technical applications: a channel flow, a flow with massive separations and a flow over a bluff body. The k −ε and ζ −f VLES methods have shown reasonably good agreement with the reference data for all three test cases. The k − ω VLES model yielded very good results for the cylinder flow and for the two-dimensional periodic hills flow, while in the prediction of the fully developed turbulent channel flow this method demonstrated weaknesses. To improve the results of the k − ω VLES model, this method was modified by means of the introduction of a new filter width, the so-called IDDES, in the formulation of the VLES model. This modification leads to a significant improvement of the results already on a quite coarse grid. After the validation on stationary grids the VLES method was investigated on moving grids. Therefore two test cases were calculated: a flow over a forced oscillating circular cylinder and a flow over a tandem of an oscillating and a static asymmetric airfoil. The VLES method demonstrated the ability to simulate turbulent flows with strongly moving structures. The character of investigated flows was captured very well for both test cases. The last step was an investigation of the VLES approach in the context of a fluid-structure coupling, where the high computational costs play an essential role. To this end, two FSI test cases were investigated. In both cases, the VLES method demonstrated the capability to capture a variety of turbulent structures in these configurations. Other parameters available from the reference experimental data are captured very well by the VLES model. In summary, the ability of the VLES model to predict different kinds of turbulent flows correctly was demonstrated by means of different test cases on stationary as well on moving grids. For all simulations, a relatively coarse grid, in comparison to this required for the correct LES calculation, was applied. The application of this hybrid turbulence model is very promising because of its capability to predict flows with mild and massive separations more accurately than RANS methods and due to the reduced computational effort in comparison to LES approaches.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Numerische Berechnungsverfahren im Maschinenbau (FNB)
Exzellenzinitiative > Graduiertenschulen > Graduate School of Computational Engineering (CE)
Hinterlegungsdatum: 18 Jun 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6213
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62136
Gutachter / Prüfer: Schäfer, Prof. Dr. Michael ; Jakirlic, Apl. Prof. Suad
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 25 April 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Turbulente Strömungen spielen eine dominante Rolle in vielen technischen Anwendungen, unter anderem in der Automobilindustrie und in der Luftfahrt, weswegen die korrekte Vorhersage des Verhaltens solcher Strömungen eine wichtige Aufgabe ist. Die numerische Simulation von dreidimensionalen, zeitabhängigen und chaotischen turbulenten Strömungen verlangt einen sehr hohen Rechenaufwand, was trotz der zunehmenden Rechenleistung ein wesentliches Problem für die Simulation dieser Strömungen bleibt. Aus diesem Grund wurden hybride Modelle für die numerische Simulation turbulenter Strömungen entwickelt. Diese Methoden kombinieren die Vorteile von bewährten turbulenten Grundmodellen, wie Grobstruktursimulation (LES), statistischen Modellen (RANS) und direkter numerischer Simulation (DNS), mit dem Ziel bei reduziertem Rechenaufwand korrekte Ergebnisse zu erzeugen. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der systematischen Untersuchung einer hybriden Methode, dem sogenannten Very Large Eddy Simulation (VLES) Modell, zunächst mit stationären und anschließend mit bewegten Gittern. Dafür wurde der in-house Code FASTEST des Fachgebiets Numerische Berechnungsverfahren im Maschinenbau an der TU Darmstadt mit den k-ε, k-ω und ζ-f VLES Methoden ergänzt. Um die Korrektheit der Implementierung zu überprüfen, wurde eine Verifizierung mit der Methode der Manufactured-Solutions durchgeführt. Als nächster Schritt wurde die VLES Methode systematisch an stationären Gittern validiert. Dafür wurden drei unterschiedliche Strömungskonfigurationen gewählt, welche die in den technischen Bereichen am häufigsten auftretenden Effekte abdecken: eine Kanalströmung, eine Strömung mit massiver Ablösung und eine Strömung um einen Staukörper. Die Resultate der k-ε und ζ-f VLES Modelle zeigen sehr gute Übereinstimmungen mit den Referenzdaten in allen drei Testfällen. Bei den k-ω VLES-Ergebnissen treten Abweichungen auf, besonders in der Simulation der Kanalströmung. Für eine Verbesserung der Resultate von diesem Modell wurde die k-ω VLES Methode mithilfe der Filterweite modifiziert. Anstatt der Standardfilterweite in der Formulierung des VLES Modells wurde die sogenannte IDDES-Filterweite eingeführt. Diese Modifizierung führte bereits auf sehr groben Gittern zu einer wesentlichen Verbesserung der Resultate. Nach der Validierung an stationären Gittern wurde das VLES Modell auf bewegten Gittern untersucht. Dafür wurden zwei Testfälle berechnet: die Strömung um einen oszillierenden Zylinder und die Strömung um ein Tandem von einem oszillierenden und einem stationären Flügel. Bei beiden Fällen demonstrierte das VLES Model die Fähigkeit die Strömungen am bewegten Gitter korrekt wiederzugeben. Das VLES Model konnte den Charakter der Strömungen sehr gut vorhersagen. Der letzte Punkt dieser Arbeit war die Untersuchung des VLES Modells im Kontext der Fluid-Struktur-Kopplung, bei welcher das Problem eines hohen Rechenaufwandes eine besonders große Rolle spielt. Für diesen Zweck wurden zwei Multiphysik-Fälle untersucht. Der Charakter von beiden Strömungen wurde von der VLES Methode sehr gut erfasst. Das hybride turbulente Modell konnte die Vielfalt von turbulenten Strukturen, die in beiden Konfigurationen entstehen, korrekt wiedergeben. Andere aus Experimenten vorliegende Charakteristiken von diesen Strömungen wurden von dem VLES Model ebenfalls sehr gut getroffen. In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass das neu implementierte VLES Modell fähig ist, unterschiedliche Strömungskonfigurationen an stationären als auch an bewegten Gittern korrekt wiederzugeben. Es ist wichtig anzumerken, dass für alle durchgeführte Simulationen relativ grobe Gitter verwendet wurden, verglichen mit Gittern, welche für eine LES Berechnung notwendig sind. Die Anwendung von diesem hybriden Modell ist folglich sehr vielversprechend. Zum einen besitzt es im Gegensatz zu den RANS Modellen, welche Schwächen bei der Vorhersage von Strömungen mit massiven Ablösungen haben, die Fähigkeit, die unterschiedlichen Strömungskonfigurationen korrekt vorherzusagen. Zum anderen ist der benötigte Rechenaufwand geringer als bei den LES Modellen.Deutsch
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