Development of a solver for the compressible large eddy simulations
Sıkıştırılabilir büyük burgaç simulasyonu için bir çözücü geliştirilmesi
- Tez No: 826906
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET HALUK AKSEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 127
Özet
Türbülanslı akışların modellemesi hesaplamalı mühendislik alanının zorlayıcı konularından biridir. Analitik çözümün veya modellerin olmadığı bu konuda, deneysel yöntemlere başvurmadan akışta oluşan fiziklerin gözlemlenebilmesi için sayısal yöntemlerin kullanılması zorunluluktur. Türbülanslı akışların modellemesinde üç yaklaşım mevcuttur, bunlar Reynolds-ortalama Navier-Stokes (Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS), Büyük Burgaç Benzetimi (Large Eddy Simulation, LES) ve Direkt Sayısal Benzetimdir (Direct Numerical Simulation, DNS) Akış denklemlerinin model kullanılmadan çözüldüğü DNS yöntemi uzaysal ve zamansal en küçük ölçekteki akış dinamiklerinin çözümlenmesi prensibine dayanmaktadır. Bu nedenle çözüm ağının bu küçük yapıları çözebilecek kadar iyi olması gerekmektedir. Bu da DNS yöntemimin hesaplama maliyetinin özellikle endüstriyel uygulamalar için uygun olmamasına sebep olmaktadır. Bu durumda LES ve RANS yöntemleri ön plana çıkmaktadır. RANS maliyeti en az olan yöntemdir ancak tüm ölçekteki akış dinamiği etkilerinin gözlenebilmesi için model ihtiyacı bulunmaktadır. Akış içinde gerçekleşen bazı fiziksel olayların modellenmesi mümkün olmadığı için, bu tarz fiziksel olayları içeren akışların simülasyonunda LES ön plana çıkmaktadır. LES yönteminin RANS yöntemine göre en büyük avantajlarından biri büyük ölçekteki akış dinamiklerinin / yapılarının direkt olarak çözülmesidir. Bunun yanında LES yönteminin kullanılacağı sayısal yöntemin mümkün olan en az seviyede sönümleyici olması gerekmektedir. Bu çalışmada, süreksizlik veya şok içeren akışların LES çalışmalarında kullanılabilmesi için düşük sönümleme özelliğine sahip bir çözücü geliştirilmiştir. Bu çözücü için sıfır sönümleme özelliğine sahip yöntem ile sönümleyici özelliği olan bir yöntem şok yakalama yöntemi kullanılarak harmanlanmıştır. Sıfır sönümlemeli çözüm yöntemi olarak kinetik enerji korunumu sağlayan ve entropi korunumlu merkezi yöntem kullanılmıştır. Sönümleme etkisine sahip akı hesaplama yöntemi olarak ise Ağırlıklandırılmış Ortalamalı Akı (Weighted Average Flux -WAF) yaklaşımlı HLLC yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemin doğruluğunu arttırmak için akı hesaplaması yapılan yüzey üzerindeki akış değişkenlerinin değerlerinin hesaplanmasında Çok-Eğimli MUSCL (Multi-Slope MUSCL) yapılandırma yöntemi kullanılmıştır. Zamanda doğruluk için güçlü stabiliteyi koruyan üçüncü dereceden (strong stability-preserving third-order Runge-Kutta) zamanda ilerleme yöntemi kullanılmıştır. LES yönteminde büyük burgaç etkisi direk çözülmesine rağmen küçük burgaçların etkisinin modellenmesi gerekmektedir. Bunun için sabit katsayılı sıkıştırılabilir Smagorinsky modeli kullanılmıştır
Özet (Çeviri)
Modelling of turbulent flows is the most challenging subject for computational engineers. Analytical solutions for the Navier-Stokes equations are non-existent, therefore the use of numerical methods is the only way to predict flows without resorting to experiments. When dealing with turbulent flows, there are three main approaches: Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Large Eddy Simulation (LES), and Direct Numerical Simulation (DNS). Among these, DNS stands out as the most accurate method for simulating turbulent flow due to its ability to resolve all scales in both the spatial and temporal domains. However, the computational cost of DNS, stemming from the requirement for very fine grids to capture all scales, renders it unfeasible, particularly for industrial applications. Consequently, RANS and LES have gained popularity as alternative approaches for turbulent flows. RANS, being more cost-effective, necessitates the modeling of dynamics for all scales, although certain phenomena cannot be inherently modelled. LES holds a distinct advantage over RANS in that it inherently resolves large-scale dynamics, obviating the need for their explicit modeling. However, the numerical methods employed in LES must exhibit low-dissipative properties. In this study, a novel approach to LES is pursued, aiming to develop a low-dissipative solver capable of simulating flows featuring discontinuities or shocks. This is achieved by blending a non-dissipative scheme with a dissipative scheme with the help of a shock capturing method. The non-dissipative method utilizes a central scheme that conserves kinetic energy and entropy. As for the dissipative solver, the HLLC flux calculation method, along with the Weighted Average Flux (WAF) approach, is adopted. To enhance the accuracy of the dissipative scheme, the Multi-Slope MUSCL reconstruction method is employed to compute the flow variables on the faces. Time integration is carried out using the strong stability-preserving third-order total diminishing Runge-Kutta discretization method. While LES can resolve large-scale dynamics, the small-scale dynamics still necessitate modeling, as is the case in RANS. To tackle these sub-grid level phenomena, the compressible Smagorinsky model with a constant coefficient is utilized.
Benzer Tezler
- Contribution to the development of implicit large eddy simulations methods for compressible turbulent flows
Sıkıştırılabilir ve tepkimeli türbülanslı akımlar için zımni büyük girdap benzetimi yöntemleri geliştirilmesine katkı
MEHMET KARACA
Doktora
İngilizce
2011
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. I. SİNAN AKMANDOR
YRD. DOÇ. DR. IVAN FEDİOUN
- 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
SARP ER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Helikopter ana rotor uç geometrisinin aeroakustik açıdan optimizasyonu ve rotor hareketlerinin aeroakustik etkilerinin incelenmesi
Aeroacustical optimization of helicopter main rotor tip geometry and investigation of aeroacustic effects of rotor movements
TUĞRUL TEOMAN ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2024
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Uçak kanat aerodinamiğinin had yöntemi ile analizi ve doğrulama
Analysis and verification of aircraft wing aerodynamics with cfd
MEHMET DOĞUKAN KOCABAŞI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HAYRİ ACAR
- Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile reküperatör tasarımı ve ısıl analizi
Designing recuperator and its thermal analysis with the method of computational fluid dynamics
ONUR ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNER ÇOLAK