Hochgenaue wandmodellierte Grobstruktursimulation auf Basis der Spektralelementmethode

Conceitos Básicos

Die Studie evaluiert die Leistungsfähigkeit der wandmodellierten Grobstruktursimulation unter Verwendung des Spektralelementlösers Nek5000. Es werden verschiedene Wandmodelle und Subgittermodelle untersucht, um die Genauigkeit und Stabilität der Simulationen zu verbessern.

Resumo

Die Studie untersucht die Methodik der wandmodellierten Grobstruktursimulation (WMLES) unter Verwendung von Lösern, die auf der Spektralelementmethode (SEM) basieren. Zu diesem Zweck wird ein algebraisches Wandmodell in den beliebten SEM-Löser Nek5000 implementiert und mit expliziter Subgitterskalen-Modellierung kombiniert.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Vreman-Modell einen guten Kompromiss zwischen Stabilisierung der Simulationen und guter Auflösung der turbulenten Skalen bietet. Es werden jedoch auch einige Schwierigkeiten im Zusammenhang mit SEM-Simulationen auf relativ groben Gittern offenbart, wie Sprünge in den Ableitungen über Elementgrenzen hinweg, mangelnde Konvergenz für schwach formulierte Randbedingungen und die Notwendigkeit des Subgittermodells als Dämpfer für hochfrequente Moden.
Trotz dieser Herausforderungen wird eine Genauigkeit auf dem Stand der Technik für turbulente Kanalströmung und turbulente Grenzschichtströmung an einer ebenen Platte erreicht, was die SEM als hervorragenden numerischen Rahmen für massiv parallele Hochordnungs-WMLES erweist.

Estatísticas

Die Simulationen wurden bei einer Reynoldszahl von Reτ ≈ 8000 durchgeführt.
Die Gitterauflösung variierte zwischen 0,39 Millionen und 25,17 Millionen Knoten.

Citações

"Möglicherweise ist der wichtigste Vorgänger dieser Arbeit der Artikel von Gillyns et al. [9], in dem die Autoren Kanalklussergebnisse aus Nek5000-Simulationen präsentieren und den Einfluss verschiedener WMLES-Parameter untersuchen."
"Neben der traditionellen Methode, die Neumann-Randbedingung für die wandparallele Geschwindigkeit zu verwenden, um die Wandschubspannung vorzuschreiben, testen wir auch einen auf der Subgitterviskosität basierenden Ansatz (Details in Abschnitt II C 4), der zuvor nicht mit der SEM getestet wurde."

Principais Insights Extraídos De

Wall-modeled large-eddy simulation based on spectral-element discretization

by Timofey Mukh... às arxiv.org 04-09-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.05378.pdf

Perguntas Mais Profundas

Wie lässt sich die Genauigkeit der wandmodellierten Grobstruktursimulation auf unstrukturierten Gittern oder in komplexeren Geometrien verbessern?

Um die Genauigkeit der wandmodellierten Grobstruktursimulation auf unstrukturierten Gittern oder in komplexeren Geometrien zu verbessern, können mehrere Ansätze verfolgt werden:

Adaptives Gitter: Die Verwendung von adaptiven Gittern, die sich an die lokalen Strömungsphänomene anpassen, kann die Genauigkeit verbessern, insbesondere in Bereichen mit komplexen Strömungsstrukturen oder Ablösungen.

Verfeinerung der Gitterauflösung: Eine feinere Gitterauflösung in der Nähe der Wand kann dazu beitragen, die Genauigkeit der Simulation zu erhöhen, insbesondere in der Grenzschichtregion, wo die turbulenten Effekte dominant sind.

Verbesserte Wandmodelle: Die Verwendung von fortschrittlicheren Wandmodellen, die speziell für ablösende Strömungen entwickelt wurden, kann die Leistung der Simulation in komplexen Geometrien verbessern. Diese Modelle berücksichtigen die Effekte von Ablösungen genauer und können zu präziseren Ergebnissen führen.

Berücksichtigung von Sekundärströmungen: In komplexen Geometrien können Sekundärströmungen eine wichtige Rolle spielen. Durch die Berücksichtigung dieser Strömungsphänomene in der Modellierung kann die Genauigkeit der Simulation verbessert werden.

Validierung und Kalibrierung: Eine sorgfältige Validierung der Simulationsergebnisse anhand von experimentellen Daten und eine Kalibrierung der Modelle an realen Messungen können dazu beitragen, die Genauigkeit der wandmodellierten Grobstruktursimulation zu verbessern.

Welche Auswirkungen haben alternative Wandmodelle, wie z.B. Modelle für ablösende Strömungen, auf die Leistung der SEM-basierten WMLES?

Alternative Wandmodelle, die speziell für ablösende Strömungen entwickelt wurden, können signifikante Auswirkungen auf die Leistung der spektral-elementbasierten wandmodellierten Grobstruktursimulation (WMLES) haben. Hier sind einige der potenziellen Auswirkungen:

Genauigkeit in Ablösegebieten: Modelle für ablösende Strömungen können die Genauigkeit der Simulation in Bereichen mit Ablösungen verbessern, indem sie die Effekte von Ablösungen genauer berücksichtigen und realistischere Ergebnisse liefern.

Stabilität und Konvergenz: Durch die Verwendung von Wandmodellen, die speziell für ablösende Strömungen entwickelt wurden, kann die Stabilität und Konvergenz der SEM-basierten WMLES in komplexen Strömungsszenarien verbessert werden.

Berücksichtigung von Sekundärströmungen: Modelle für ablösende Strömungen können auch die Auswirkungen von Sekundärströmungen an der Wand besser erfassen, was zu präziseren Vorhersagen in komplexen Geometrien führen kann.

Anpassung an lokale Strömungsphänomene: Alternative Wandmodelle können besser auf lokale Strömungsphänomene reagieren und somit die Leistung der SEM-basierten WMLES in komplexen Strömungsszenarien optimieren.

Wie kann der Einfluss der numerischen Methode auf die Subgittermodellierung weiter untersucht und optimiert werden, um eine robuste und genaue WMLES-Methodik zu entwickeln?

Um den Einfluss der numerischen Methode auf die Subgittermodellierung weiter zu untersuchen und zu optimieren, um eine robuste und genaue wandmodellierte Grobstruktursimulation (WMLES) zu entwickeln, können folgende Schritte unternommen werden:

Empirische Untersuchung: Durch systematische empirische Untersuchungen können verschiedene numerische Methoden und deren Auswirkungen auf die Subgittermodellierung bewertet werden. Dies kann helfen, die Vor- und Nachteile verschiedener Ansätze zu verstehen.

Sensitivitätsanalysen: Sensitivitätsanalysen können durchgeführt werden, um den Einfluss verschiedener numerischer Parameter auf die Subgittermodellierung zu bewerten. Dies kann dazu beitragen, die Schlüsselparameter zu identifizieren, die die Genauigkeit der WMLES beeinflussen.

Validierung und Vergleich: Die entwickelten WMLES-Methoden sollten mit experimentellen Daten validiert und mit anderen etablierten Methoden verglichen werden, um ihre Leistungsfähigkeit zu bewerten und mögliche Verbesserungen zu identifizieren.

Optimierung der Gitterauflösung: Die Optimierung der Gitterauflösung in der Nähe der Wand und in Bereichen mit komplexen Strömungsphänomenen kann dazu beitragen, die Genauigkeit der Subgittermodellierung zu verbessern und die numerische Stabilität zu gewährleisten.

Weiterentwicklung von Wandmodellen: Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Wandmodellen, die speziell für WMLES entwickelt wurden, kann dazu beitragen, die Genauigkeit und Robustheit der Subgittermodellierung zu verbessern und die Leistung der WMLES insgesamt zu optimieren.