Моделирование турбулентных течений с использованием алгебраической модели рейнольдсовых напряжений с универсальными пристеночными функциями

Автор: Козелков Андрей Сергеевич, Курулин Вадим Викторович, Пучкова Ольга Леонидовна, Лашкин Сергей Викторович

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 1 т.7, 2014 года.

Бесплатный доступ

В статье рассматривается применение явной алгебраической модели рейнольдсовых напряжений (EARSM) для расчета турбулентных течений с использованием универсальных пристеночных функций. Представлен алгоритм численной реализации модели, который обеспечивает устойчивый счет внутри пограничного слоя и приемлемые результаты моделирования на произвольных неструктурированных сетках с различным уровнем сгущения вблизи твердой поверхности. Эффективность работы представленного алгоритма продемонстрирована на задаче турбулентного обтекания плоской пластины. В двух задачах, содержащих асимметричное течение, показано, что предложенный подход к реализации EARSM дает заметное улучшение результатов моделирования по сравнению с данными, полученными по базовой модели RANS, даже в случае использования неструктурированной сетки с произвольным сеточным разрешением вблизи твердой поверхности.

Еще

Турбулентные течения, модели напряжений рейнольдса, компоненты тензора напряжений рейнольдса, анизотропия, универсальные пристеночные функции, пограничный слой

Короткий адрес: https://sciup.org/14320706

IDR: 14320706   |   УДК: 532.517.4   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.1.5

Simulation of turbulent flows using an algebraic Reynolds stress model with universal wall functions

The paper explores the application of an Explicit Algebraic Reynolds Stress Model (EARSM) to turbulent flow simulation using universal wall functions. With universal wall functions, friction coefficients and velocity derivatives on a solid wall can be predicted with good accuracy, but the correct application of these functions entails changes in the formulation of turbulence models. Despite the fact that the use of this approach has been well investigated for RANS turbulence models, the question of how to introduce these functions in the EARSM has not been adequately addressed. A detailed consideration shows that in the case of EARSM, application of a coarser near-wall resolution leads to an unsatisfactory accuracy of the Reynolds stress gradient in the areas of rapid change in the velocity field and, as a consequence, to the oscillations of physical quantities in the boundary layer. The present paper proposes a method for eliminating these oscillations modified by calculating the velocity gradients on the inner faces of computational grid cells. A numerical implementation algorithm for the EARSM model which provides stable computation in the interface and acceptable simulation results on arbitrary unstructured grids with various level of grid-spacing near the rigid surface is presented. The effectiveness of the proposed algorithm is illustrated by solving the problem of turbulent flow over a flat plate. The results show that the algorithm is able to eliminate the spatial oscillations in velocity inside the boundary layer at any type of a grid. The analysis of two problems considering the asymmetrical flow indicates that the application of the developed EARSM algorithm gives a noticeable improvement of simulation results compared with the basic RANS model even in the case of the unstructured grid with arbitrary grid-spacing near the rigid surface.

Еще

Список литературы Моделирование турбулентных течений с использованием алгебраической модели рейнольдсовых напряжений с универсальными пристеночными функциями

  • Роуч П. Вычислительная гидродинамика. -М.: Мир, 1980. -618 с.
  • Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. -М.: Физматлит, 2008. -364 c.
  • Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений: Учеб. пособие. -СПб.: Изд-во БГТУ, 2001. -108 с.
  • Снегирев А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений: Учеб. пособие -СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. -143 с.
  • Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. -La Canada, CA: DCW Industries, 1998. -362 p.
  • Menter F.R., Garbaruk A.V., Egorov Y. Explicit algebraic Reynolds stress models for anisotropic wall-bounded flows//Proc. of 3rd European Conference for Aero-Space Sciences (EUCASS), Versailles, July 6-9th, 2009. -14 p.
  • Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications//AIAA J. -1994. -V. 32, N. 8. -P. 1598-1605.
  • Speziale C.G., Sarkar S., Gatski T.B. Modelling the pressure-strain correlation of turbulence: an invariant dynamical systems approach//J. Fluid Mech. -1991. -V. 227. -P. 245-272.
  • Launder B.E., Reece G.J., Rodi W. Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure//J. Fluid Mech. -1975. -V. 68, N. 3. -P. 537-566.
  • Wallin S., Johansson A.V. An explicit algebraic Reynolds stress model for incompressible and compressible turbulent flows//J. Fluid Mech. -2000. -V. 403. -P. 89-132.
  • Hellsten A. New two-equation turbulence model for aerodynamics applications/Report A-21, PhD Dissertation. -Espoo, Finland: Helsinki University of Technology Laboratory of Aerodynamics, 2004.
  • Rodi W. A new algebraic relation for calculating the Reynolds stresses//Z. Angew. Math. Mech. -1976. -V. 56. -P. 219-221.
  • Rodi W. The prediction of free turbulent boundary layers by use of a two-equation model of turbulence/PhD Dissertation in Mechanical Engineering. -London: Imperial College, 1972. -310 p.
  • Jaramillo J.E., Pérez-Segarra C.D., Oliva A., Claramunt K. Analysis of different RANS models applied to turbulent forced convection//Int. J. Heat Mass Tran. -2007. -V. 50, N. 19-20. -P. 3749-3766.
  • Louda P., Kozel K., Příhoda J., Beneš L., Kopáček T. Numerical solution of incompressible flow through branched channels//Comput. Fluids. -2011. -V. 46, N. 1. -P. 318-324.
  • Beneš L., Louda P., Kozel K., Keslerová R., Štigler J. Numerical simulations of flow through channels with T-junction//Appl. Math. Comput. -V. 219, N. 13. -P. 7225-7235.
  • Jeyapaul E. Turbulent flow separation in 3-D asymmetric diffusers/NASA postdoctoral fellow. -Langley research center, 2010. -69 p. (URL: http://hiroakinishikawa.com/niacfds/presentationfiles/Elbert_NIAtalk_11292011.pdf).
  • Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows//Comput. Method. Appl. M. -1974. -V. 3, N. 2. -P. 269-289.
  • Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of experience with the SST turbulent model//Turbulence, Heat and Mass Transfer 4, ed. by K. Hanjalic, Y. Nagano, M. Tummers. -Begell House Inc., 2003. -8 p. (URL: http://cfd.mace.manchester.ac.uk/flomania/pds_papers/file_pds-1068134610Menter-SST-paper.pdf).
  • Grotjans H., Menter F.R. Wall functions for industrial applications//Proc. of Computational Fluid Dynamics’98, ECCOMAS, ed. by K.D. Papailiou -U.K., Wiley: Chichester, 1998. -V. 1 (2). -P. 1112-1117.
  • Jasak H. Error analysis and estimation for the finite volume method with applications to fluid flows/Thesis submitted for the degree of doctor. -Department of Mechanical Engineering. -London: Imperial College, 1996. -394 p.
  • Волков К.Н., Емельянов В.Н. Течения и теплообмен в каналах и вращающихся полостях. -М.: Физматлит, 2010. -488 c.
  • Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications//AIAA J. -1994. -V. 32, N. 8. -P. 1598-1605.
  • Погосян М.А., Савельских Е.П., Стрелец Д.Ю., Корнев А.В. Отечественные суперкомпьютерные технологии в авиационной промышленности//Наука и технологии в промышленности. -2012. -№ 2. -C. 26-35.
  • Погосян М.А., Савельских Е.П., Шагалиев Р.М., Козелков А.С., Стрелец Д.Ю., Рябов А.А., Корнев А.В., Дерюгин Ю.Н., Спиридонов В.Ф., Циберев К.Б. Применение отечественных суперкомпьютерных технологий для создания перспективных образцов авиационной техники//ВАНТ. Серия: Математическое моделирование физических процессов. -2013. -№ 2. -C. 3-18.
  • Wieghardt K., Tillmann W. On the turbulent friction layer for rising pressure/NACA TM 1314, 1951. -46 p. (URL: http://www.grc.nasa.gov/WWW/wind/valid/fpturb/NACA-TM-1314-Wieghardt-1951.pdf).
  • Leonard B.P. A stable and accurate convective modelling procedure based on quadratic upstream interpolation//Comput. Method. Appl. M. -1979. -V. 19, N. 1. -P. 59-98.
  • Raiesi H., Piomelli U., Pollard A. Evaluation of turbulence models using direct numerical and large-eddy simulation data//J. Fluids Eng. -2011. -V. 133, N. 2. -021203.
  • Cherry E.M., Elkins C.J., Eaton J.K. Geometric sensitivity of three-dimensional separated flows//Int. J. Heat Fluid Fl. -2008. -V. 29, N. 3. -P. 803-811.
Еще