Computational fluid dynamics simulations of high Reynolds number and complex aerodynamic flow fields
Yüksek Reynolds sayılı ve karmaşık aerodinamik akış alanlarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları
- Tez No: 935567
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NİLAY SEZER UZOL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 176
Özet
Bu tez, aerodinamik ve rüzgar mühendisli˘gi alanlarında, yüksek Reynolds sayılarındaki rüzgar türbini kanat profilleri ile prizmatik ve burulmu¸s formlara sahip yüksek binaların küresel gövdeli aerodinamik özelliklerine odaklanarak, SU2 açık kaynaklı hesaplamalı akı¸skanlar dinami˘gi (CFD) çözücüsü kullanılarak gerçekle¸stirilen CFD simülasyonlarıyla 2-B ve 3-B karma¸sık dı¸s akı¸s alanlarının kapsamlı bir incelemesini sunmaktadır. Bu simülasyonlarda kullanılan Krylov altuzay yinelemeli çözücülerinin performansı da ara¸stırılmı¸stır. SU2'nin büyük boyutlu do˘grusal sistemleri çözerken verimliliğini ve sağlamlığını artırmak amacıyla, iç içe (nested) Krylov tabanlı bir do˘grusal çözücü önerilmi¸s ve çe¸sitli test problemleriyle do˘grulanarak, SU2'de mevcut standart çözücüye kıyasla daha yüksek yakınsama hızı ve daha dü¸sük hesaplama maliyetiyle do˘gru sonuçlar verdi˘gi gösterilmi¸stir. Bu tez çalı¸sması öncelikle yüksek Reynolds sayılarındaki DU 00-W-212 rüzgar türbini kanat profili etrafındaki akı¸slara odaklanmaktadır. Ayrıntılı CFD simülasyonları, 2-B durağan analizlerden 3-B zamanla değişen simülasyonlara kadar hibrit IDDES türbülans modeli kullanılarak gerçekle¸stirilmi¸stir. Bu tür problemlerin RANS ve DDES tabanlı CFD analizlerindeki zorluklar belirtilmi¸stir. Yüksek Reynolds sayılarındaki kanat profili CFD simülasyonları için detaylı a˘g ba˘gımsızlık çalı¸sması prosedürü sunulmu¸s ve tartı¸sılmı¸stır. Üç farklı Reynolds sayısı için aerodinamik polarlar elde edilmi¸s ve geçi¸s, ayrılma ve stall gibi akı¸s alanı özelliklerine ili¸skin sonuçlar ayrıntılı ¸sekilde sunulmu¸stur. Önerilen iç içe Krylov tabanlı do˘grusal çözücü, 2-B ve 3-B CFD simülasyonlarında test edilmi¸stir. CFD kodlarında yaygın olarak kullanılan bir do˘grulama test vakası olan 3-B türbülanslı ve transonik ONERA M6 kanadı akı¸sı da do˘grulama vakası olarak kullanılmı¸stır. 3-B karma¸sık akı¸s alanlarına sahip yüksek binaların dura˘gan RANS CFD simülasyonları gerçekle¸stirilmi¸stir. Elde edilen sonuçlar, farklı rüzgar hızı ve yönü ko¸sulları altında METU RÜZGEM'de gerçekle¸stirilen rüzgar tüneli ölçümleriyle karşılaştırılmıştır. Standart ve iç içe Krylov altuzay doğrusal çözücülerinin hesaplamalı performansları, aerodinamik özellikleri tahmin etme doğrulukları ile hesaplama maliyeti, hızlanma ve yakınsama hızı üzerindeki etkileri açısından kar¸sıla¸stırılmı¸stır. ˙Iç içe Krylov tabanlı doğrusal çözücünün verimliliği ve sağlamlığı gözlemlenmiştir. Bu tez, yalnızca karma¸sık aerodinamik akış problemlerinin anla¸sılmasına katkı sa˘glamakla kalmayıp, aynı zamanda SU2 koduna iç içe Krylov do˘grusal çözücüsünün uygulanması yoluyla hesaplamalı verimlili˘gi artırarak, yüksek Reynolds sayılarındaki ve ayrılmalı akış alanlarına sahip karma¸sık aerodinamik problemlerin 2-B/3-B durağan ve zamana ba˘glı CFD simülasyonları için sağlam ve verimli bir doğrusal çözücü sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a comprehensive investigation of 2-D and 3-D complex external flow fields in aerodynamics and wind engineering, focusing on wind turbine airfoils at high Reynolds numbers and the blunt-body aerodynamics of tall buildings using CFD simulations performed by SU2. The performance of Krylov subspace iterative solvers used in these simulations is also investigated. To improve SU2's efficiency and robustness in solving large-scale linear systems, a nested Krylov-based linear solver is proposed and validated through benchmark problems, showing accurate results with higher convergence rates and lower computational cost compared to the standard solver in SU2. This thesis study firstly focuses on high Reynolds number flows around the DU 00-W-212 wind turbine airfoil. The detailed CFD simulations are performed from 2-D steady-state analyses to 3-D time-accurate simulations with hybrid IDDES turbulence modeling. The challenges in the RANS and DDES-based CFD analyses of such problems are stated. The procedure for a detailed grid independence study for airfoil CFD simulations at high Reynolds numbers is presented and discussed. The aerodynamic polars are obtained and discussed for three different high Reynolds numbers, and also the results for the flow field characteristics such as transition, stall and separation are presented in detail. The proposed nested Krylov-based linear solver is tested with the 2-D and 3-D CFD simulations. The 3-D turbulent and transonic flow around the ONERA M6 wing, a common validation test case used for CFD codes, is used as a validation test case. The steady-state RANS CFD simulations of 3-D complex flow fields around tall buildings are performed. The results are compared with wind tunnel measurements performed at METU RÜZGEM. The computational performance of the standard and nested Krylov subspace linear solvers are compared regarding their accuracy in predicting the aerodynamic properties and their effects on computational cost, speed-up, and convergence rate. The efficiency and robustness of the nested Krylov-based linear solver are observed. This thesis not only contributes to the understanding of complex aerodynamic flow problems but also improves the computational efficiency by implementation of the nested Krylov linear solver in SU2 code, thus presenting a robust and efficient linear solver for the 2-D/3-D steady/unsteady CFD simulations of complex aerodynamic problems at high Reynolds numbers and also with separated flow fields.
Benzer Tezler
- An immersed boundary implementation using a high order compact scheme on a graphics processing unit
Grafik işleme birimi üzerinde yüksek mertebe kompakt şema kullanılarak gömülü sınır uygulaması
UFUK ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Development of a lattice boltzmann based flow solver for large eddy simulation of turbulent flows
Türbülanslı akışların büyük girdap benzetimi için lattice boltzmann temelli akış çözücüsü geliştirilmesi
ALİHAN ATİLLA ÇINAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Arka gövde eklentileri ile C-130E uçağı basınç sürüklemesinin azaltılmasının sayısal olarak incelenmesi
Computational evaluation of C-130 aircraft base drag reduction with aftbody modifications
HAKAN TELLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Havacılık MühendisliğiHava Harp Okulu KomutanlığıHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YASİN VOLKAN PEHLİVANOĞLU
- Investigation of bluff-body stabilized premixed flame dynamics using an in-house flow solver lestr3d
Küt cisim ile stabiılize edilmiş ön karışımlı alev dinamiklerinin özgün akış çözücüsü lestr3d ile incelenmesi
BURAKHAN ŞÜKÜROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Yarı dalgıç bir askeri platform tasarımı ve bu platformun hidrodinamik özelliklerinin incelenmesi
Design and hydrodynamic analysis of a semi-submersible naval platform
UTKU CEM KARABULUT
Doktora
Türkçe
2025
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ BARLAS