مطالعه فرآیند توزیع مجدد انرژی جنبشی در لایه مرزی آشفته بدون گرادیان فشار با استفاده از شبیه سازی گردابه‌های بزرگ

موسایی, امین

مطالعه فرآیند توزیع مجدد انرژی جنبشی در لایه مرزی آشفته بدون گرادیان فشار با استفاده از شبیه سازی گردابه‌های بزرگ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

امین موسایی

گروه مهندسی مکانیک / دانشگاه یاسوج دانشکده مهندسی مکانیک / دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده

در این پژوهش، فرایند توزیع مجدد انرژی در جریان لایه مرزی آشفته روی صفحه تخت بدون گرادیان فشار در اعداد رینولدز مختلف با استفاده از نتایج شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ مطالعه شده است. برای این منظور، معادلات ناویر‌ـ‌استوکس فیلترشده سه‌بعدی و وابسته به زمان برای جریان تراکم‌ناپذیر یک سیال نیوتنی به‌طور عددی حل شده‌اند. تنش‌های زیر شبکه به کمک مدل لزجت گردابه محلی تطبیق‌شونده با دیوار محاسبه شده‌اند. از یک شرط مرزی ورودی نوسانی برای تولید آشفتگی فیزیکی در مرز ورودی استفاده شده که باعث کوتاه شدن طول صفحه موردنیاز برای انجام شبیه‌سازی و درنتیجه کاهش حجم محاسبات شده است. کمیت‌های آماری آشفته به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی حاضر با داده‌های موجود تجربی و شبیه‌سازی مستقیم عددی مقایسه و دقت بالای شبیه‌سازی نشان داده شده است. از این داده‌ها برای مطالعه فرایند توزیع مجدد انرژی جنبشی آشفته درون لایه مرزی استفاده شده و بدین ترتیب رفتار تنش‌های نرمال رینولدز توضیح داده شده‌اند. همچنین از مقایسه با نتایج شبیه‌سازی مستقیم عددی، دقت شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ در توصیف فرایند توزیع مجدد انرژی جنبشی بررسی شده است. مشاهده می‌شود که تکنیک شبیه‌سازی گردابه بزرگ، مقادیر قدر مطلق ماکزیمم و مینیمم مؤلفه‌های قطر اصلی تانسور همبستگی بین نوسان‌های فشار و کرنش را کمتر از مقدار دقیق شبیه‌سازی مستقیم عددی پیش‌بینی می‌کند.

کلیدواژه‌ها

شبیه سازی گردابه‌های بزرگ

لایه مرزی آشفته

مدل زیر شبکه WALE

فرآیند توزیع مجدد انرژی

20.1001.1.24767131.1403.10.1.12.4

موضوعات

هیدرودینامیک

عنوان مقاله English

Study of the Energy Redistribution Process in a Zero-Pressure-Gradient Flat-Plate Turbulent Boundary Layer Using Large-Eddy Simulation

نویسنده English

Amin Moosaie

Department of Mechanical Engineering / Yasouj University Department of Mechanical Engineering / Isfahan University of Technology

چکیده English

This study investigates the process of energy redistribution within a turbulent boundary layer over a flat plate without a pressure gradient at various Reynolds numbers, utilizing large eddy simulation (LES) results. The three-dimensional, time-dependent filtered Navier–Stokes equations for incompressible Newtonian fluid flow were numerically solved. Subgrid-scale stresses were modeled using the wall-adapting local eddy-viscosity (WALE) model. An oscillatory inflow boundary condition was applied to generate physical turbulence at the inlet, which shortened the required computational domain length and reduced computational cost. Turbulent statistical quantities obtained from the simulations were validated against existing experimental data and direct numerical simulation (DNS) results, confirming high accuracy. These data were subsequently used to analyze the turbulent kinetic energy redistribution process within the boundary layer, providing insight into the behavior of Reynolds normal stresses. Additionally, comparison with DNS results assessed LES accuracy in capturing the energy redistribution process. It was observed that LES underestimates the absolute maximum and minimum values of the principal components of the pressure–strain correlation tensor relative to DNS.

کلیدواژه‌ها English

Large-eddy simulation

Turbulent boundary layer

WALE subgrid-scale model

Oscillatory inflow condition

Energy redistribution process

[1] Moin P, Mahesh K. Direct numerical simulation: a tool in turbulence research. Annual Review of Fluid Mechanics. 1998;30:539-578.

[2] Reynolds WC. Computation of turbulent flows. Annu. Rev. Fluid Mechanics. 1976;8:183-208.

[3] Rogallo RS, Moin P. Numerical simulation of turbulent flows. Annual Review of Fluid Mechanics. 1984;16:99-137.

[4] Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. monthly weather review. 1963;91:99-164.

[5] Germano M, Piomelli U, Moin P, Cabot WH. A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model. Phys. Fluids A. 1991;3:1760-1765.

[6] Meneveau C, Lund TS, Cabot WH. A Lagrangian dynamic subgrid-scale model of turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 1996;319:353-385.

[7] Nicoud F, Ducros F. Subgrid-scale stress modelling based on the square of the velocity gradient tensor. Flow, Turbulence and Combustion. 1999;62: 183-200.

[8] Lund TS, Wu X, Squires KD. Generation of turbulent inflow data for spatially-developing boundary layer simulations. Journal of Computational Physics. 1998;140:233-58.

[9] Manhart MA. zonal grid algorithm for DNS of turbulent boundary layers. Computers and Fluids. 2004; 33:435-61.

[10] Inoue M, Pullin DI. Large-eddy simulation of the zero-pressure gradient turbulent boundary layer up to Re_θ = O(10¹²). Journal of Fluid Mechanics. 2011;686:507-33.

[11] Inoue M, Pullin DI, Harun Z, Marusic I. LES of the adverse-pressure gradient turbulent boundary layer. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2013;44:293-300.

[12] Cheng W, Pullin DI, Samtaney R. Large-eddy simulation of separation and reattachment of a flat plate turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics.2015;785:78-108.

[13] Arollaa SK, Durbin PA. LES of spatially developing turbulent boundary layer over a concave surface. Journal of Turbulence. 2015;16:81-99.

[14] Radhakrishnan S, Calafell J, Miró A, Font B, Lehmkuhl O. Data-driven wall modeling for LES involving non-equilibrium boundary layer effects. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid .2024;34: 3166-202.

[15] Lilly DK. A proposed modification of the Germano subgrid-scale closure method. Physics Fluids A. 1992;4:633-5.

[16] Piomelli U, Cabot W H, Moin P, Lee S. Subgrid-scale backscatter in turbulent and transitional flows. Physics Fluids A. 1991;3:1766-71.

[17] Spalart PR. Direct simulation of a turbulent boundary layer up to Re_θ= 1410. Journal of Fluid Mechanics. 1988;187:61-98.

[18] Williamson JH. Low-storage Runge-Kutta schemes. Journal of Computational Physics.1980;35:48-56.

[19] Chorin AJ. Numerical solution of the Navier-Stokes equations. Mathematics of Computation.1968;22:745-62.

[20] Temam R. Sur l’approximation de la solution des equations de Navier-Stokes par la method des pas fractionnaires. Archive for Rational Mechanics and Analysis.1969;33:377-85.

[21] Stone HL. Iterative solution of implicit approximations of multidimensional partial differential equations. SIAM Journal on Numerical Analysis. 1968; 5:530-58.

[22] Fernholz HH, Finley PJ. The incompressible zero-pressure-gradient turbulent boundary layer: an assessment of the data. Progress in Aerospace Sciences.1996;32:245-311.

[23] Roach PE, Brierley DH. The influence of a turbulent freestream on zero pressure gradient transitional boundary layer development including the condition test cases T3A and T3B. in Numerical Simulation of Unsteady Flows and Transition to Turbulence (eds. Pironneau O. et al.), Cambridge University Press, 1989.

[24] Purtell LP, Klebanoff PS, Buckley FT. Turbulent boundary layers at low Reynolds numbers. Physics of Fluids.1981;24:802-11.

[25] Erm LP, Joubert PN. Low Reynolds-number turbulent boundary layers. Journal of Fluid Mechanics.1991; 230:1-44.

[26] Bruns J, Dengel P, Fernholz HH. Mean flow and turbulence measurements in an incompressible two-dimensional turbulent boundary layer. Part I: data. Institutsbericht Nr. 02/92, Hermann-Föttinger-Institut für Thermo- und Fluiddynamik, Technische Universität Berlin, 1992.

[27] Hickel S, Adams NA, Implicit LES applied to zero-pressure-gradient and adverse-pressure-gradient boundary-layer turbulence. International Journal of Heat and Fluid Flow.2008;29:626-39.

[28] Pope SB. Turbulent Flows.1^st ed, Cambridge University Press; 2000.

[29] Kim J. On the structure of pressure fluctuations in simulated turbulent channel flow. Journal of Fluid Mechanics. 1989;205:421-51.