Large-eddy simulation of transition and turbulence in wall-bounded shear flow
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2005Type
- Doctoral Thesis
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Abstract
Large-eddy simulations (LES) of transitional and turbulent wallbounded incompressible flow have been performed. A special focus has been on the reliable and efficient-modelling of laminar-turbulent transition in plane Channel flow at low resolutions, for which several subgrid-scale (SGS) modeis have been evaluated, including the approximate deconvolution model (ADM) and related approaches, classical and high-pass filtered (HPF) eddy-viscosity models, and dynamic models. The simulations have been performed in both the temporal and spatial transition framework. The results show that a direct modelling involvinga relaxation regularisation (ADM-RT model) provides the most accurate results for both transitional quantities and turbulent statistics. By use of three dimensional visualisation of instantaneous flow structures it is investigated how well the SGS modeis on coarse grids are able to predict the physically relevant mechanisms at successive stages of transition: A-vortices, rollup of shear layers, and hairpin vortices. The results show that the ADM-RT model predicts similar transitional structures as present in fully resolved direct numerical Simulation (DNS) data, however using less than one percent of the numerical resolution of the latter. Other SGS modeis are not capable of predicting these physical structures at the chosen coarse resolution. Additionally, the different SGS modeis have been examined in homogeneous isotropic turbulence. The models provide an accurate prediction of the energy and dissipation spectra even for high Reynolds numbers. A Fourier method based on a windowing approach to prescribe nonperiodic inflow and outflow boundary conditions has been formulated and evaluated. Test cases involving a travelling vortex core and a spatially developing jet have shown very good outflow damping properties. The spectral accuracy of the underlying numerical scheme is retained. The windowing approach has been compared to the well-established fringe method. Large-Eddy-Simulationen(LES) von traditionellen und turbulenten wandbegrenzten inkompressiblen Strömungen wurden durchgeführt. Spezielle Beachtung fand dabei die verlässliche und effiziente Modellierung der laminar-turbulenten Transition in ebener Kanalströmung bei geringer Auflösung. Es wurden verschiedene Turbulenzmodelle untersucht, insbesondere das "Approximate Deconvolution Model" (ADM) und verwandte Ansätze, klassische und hochpassgefilterte Wirbelviskositätsmodelle (eddy-viscosity modeis), einschliesslich des bekannten dynamischen Modells. Die Simulationen wurden sowohl in räumlicher als auch zeitlicher Betrachtungsweise der Transition durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass eine direkte Modellierung basierend auf einer Regularisierung mittels eines Relaxationsterms die genauesten Resultate sowohl für transitionelle Grössen als auch für turbulente Statistiken liefert. Dreidimensionale Visualisierungen zeigen ausserdem, ob und wie die verschiedenen Modelle die charakteristischen Stufen der Transition wiedergeben: A-Wirbel, Aufrollen der Scherschichten und Haarnadelwirbel. Die Resultate zeigen weiter, dass das ADM-RT-Modell sehr ähnliche Strukturen wie die vollaufgelösten Daten der direkten nu¬merischen Simulation (DNS) vorhersagt, obwohl weniger als ein Prozent der Gitterauflösung verwendet wurde. Andere Modelle waren hingegen bei der gewählten niedrigen Auflösung nicht in der Lage, diese Strukturen vorherzusagen. Zusätzlich wurden die verschiedenen Modelle auch in homogener isotroper Turbulenz untersucht. Es zeigte sich, dass sie eine genaue Voraussageder Energie- als auch der Dissipationsspektren auch für hohe Reynoldszahlen erlauben. Eine Fouriermethode basierend auf einem Windowing-Ansatz wurde zur Aufprägung von Ein- und Ausflussbedingungen formuliert und bewertet. Testfälle mit einem Wirbel und einem sich räumlich entwickelnden Freistrahl (Jet) zeigten gute Dämpfungseigenschaftenam Ausflussrand. Die spektrale Genauigkeit des zugrundeliegenden numerischen Verfahrens bleibt erhalten. Die Windowing-Methodewurde verglichen mit der etablierten Fringe-Methode. Show more
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https://doi.org/10.3929/ethz-a-004945776Publication status
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ETH ZürichSubject
INKOMPRESSIBLE STRÖMUNGEN (FLUIDDYNAMIK); MATHEMATICAL MODELING IN ENGINEERING AND TECHNOLOGY; LARGE-EDDY SIMULATION (FLUID DYNAMICS); FLUIDMECHANIK; LAMINAR-TURBULENT TRANSITION (FLUID DYNAMICS); LAMINAR-TURBULENTE STRÖMUNG, ÜBERGANGSGEBIET (FLUIDDYNAMIK); LARGE-EDDY-SIMULATION (FLUIDDYNAMIK); INCOMPRESSIBLE FLOWS (FLUID DYNAMICS); SCHERSTRÖMUNG (FLUIDDYNAMIK); SHEAR FLOW (FLUID DYNAMICS); FLUID MECHANICS; MODELLRECHNUNG IN TECHNIK UND INGENIEURWESENOrganisational unit
03419 - Kleiser, Leonhard
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