Development of a hybrid compressible vortex particle method and application to external problems including helicopter flows
Authors: Παπαδάκης Γεώργιος 
Published: September 2021

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας νέας υβριδικής μεθο-δολογίας CFD για την επίλυση εξωτερικών αεροδυναμικών ροών. Η ιδέα πίσω απότην εργασία ήταν η ανάγκη για προσομοιώσεις σύνθετων προβλημάτων στα οποία κυ-ριαρχούν ισχυρές δομές στροβιλότητας και που υπάρχουν σώματα τα οποία κινούνταιανεξάρτητα μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν δύο υπολογιστικά εργαλείατα οποία συνενώθηκαν σε ένα υβριδικό επιλυτή. Πιο συγκεκριμένα:Ο Eulerian CFD επιλυτής (MaPFlow): Αναπτύχθηκε ένας συμπιεστός URANS επι-λυτής που λύνει πάνω σε μή δομημένα πλέγματα. Ο συγκεκριμένος επιλυτής είναιεφοδιασμένος με προσταθεροποιητή για χαμηλούς αριθμούς Mach για την προσομοί-ωση ασυμπίεστων ροών. Η μοντελοποίηση της τύρβης γίνεται είτε με το μοντέλομίας εξίσωσης του Spalart-Almaras είτε με το μοντέλο δύο εξισώσεων k-! SST τουMenter. Ακόμη, ο επιλυτής μπορεί να χειριστεί κινούμενα ή παραμορφώσιμα πλέγματαενώ έχει παραλληλοποιηθεί με τη χρήση του πρωτοκόλλου MPI.O Lagrangian επιλυτής: Διατυπώθηκε και αναπτύχθηκε ένας συμπιεστός Lagrangianεπιλυτής που χρησιμοποιεί στοιχεία στροβιλότητας. Η συγκεκριμένη διατύπωση χρη-σιμοποιεί στοιχεία ρευστού που μεταφέρουν μάζα, μεταβολή του όγκου, στροβι-λότητα, ενέργεια και όγκο για να μπορεί να διαχειριστεί συμπιεστές ροές. Για ναμειωθεί το υπολογιστικό κόστος του επιλυτή χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος ParticleMesh (PM) η οποία παραλληλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του James-Lackner.Σύυζευξη των δύο επιλυτών σε ένα υπολογιστικό εργαλειό (HoPFlow): Υλοποιήθηκεισχυρή σύζευξη των Eulerian και Lagrangian επιλυτών σε μία υβριδική μεθοδολογία.Η σύζευξη έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε να διασφαλίζει συνέχεια και συνέπεια τηςλύσης ανάμεσα στους δύο επιλυτές.Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία έχουν σκοπό τηνπιστοποίηση των εργαλείων που υλοποιήθηκαν. Αρχικά, παρουσιάζονται αποτελέ-σματα που αφορούν την πιστοποίηση του Εulerian URANS επιλυτή. Η πιστοποίησηπεριλαμβάνει συγκρίσεις με πειραματικά αλλά και υπολογιστικά δεδομένα σε διάφο-ρες διδιάστατες και τριδιάστατες ροές. Στη συνέχεια, ακολουθεί η πιστοποίηση τουυβριδικού επιλυτή όπου γίνεται σύγκριση με τα αντίστοιχα Eulerian αποτελέσματααλλά και με πειραματικά δεδομένα.Οι περιπτώσεις πιστοποίησης που εξετάστηκαν περιλαμβάνουν διδιάστατες ροέςγύρω από σταθερές και κινούμενες αεροτομές σε πληθώρα αριθμών Reynolds καιMach. Οι τρισδιάστατες περιπτώσεις που παρουσιάζονται αφορούν ροές γύρω απόσταθερά και περιστρεφόμενα πτερύγια (Δρομείς Ανεμογεννητριών και Ελικοπτέρου).Η χρήση των υπολογιστικών εργαλείων σε πληθώρα περιπτώσεων έδειξαν ότι καιο Εulerian CFD επιλυτής (MaPFlow) όπως και ο υβριδικός επιλυτής (HoPFlow)παράγουν ικανοποιητικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, ο υβριδικός επιλυτής έχει λι-γότερη διάχυση από τον Eulerian και για αυτό στις περιπτώσεις όπου κυριαρχούνισχυροί στρόβιλοι (όπως ο δρομέας ελικοπτέρου σε αιώρηση) τα αποτελέσματα πουπαράγονται είναι καλύτερα. Θα πρέπει να τονιστεί ότι οι περισσότερες περιπτώσειςπου εξετάστηκαν, είναι απλούστερες από αυτές για τις οποίες αναπτύχθηκε η υβρι-δική μέθοδος. Παρόλα αυτά, η επιλογή τους έγινε με σκοπό την πιστοποίηση τηςκαινούργιας μεθόδου που προηγείται της χρήσης της σε πιο σύνθετες ροές.