title: Entwicklung einer hybriden LES-URANS-Methode für die Simulation interner und externer turbulenter Strömungen
title: Development of a hybrid LES-URANS methodology for the simulation of internal and external turbulent flows
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Schmidt, Stephan
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2016
Subjects: subject: Hybride Methode
subject: LES
subject: URANS
subject: Quellterm
subject: Synthetische Turbulenz
subject: Integral Time and Length Scales
subject: Laminar Separation Bubble
subject: Airfoil
subject: Transition
subject: 620 Ingenieurwissenschaften

description: Die vorliegende Arbeit entwickelt die hybride LES-URANS-Methode von Jaffrezic und Breuer (FTC 81, 415-448, 2008) zur Simulation komplexer turbulenter Strömungen mittels wirbelauflösender Verfahren weiter. Einen Schwerpunkt der Studie stellt eine verbesserte Modellierung der turbulenten Dissipationsrate dar, wozu das Modell von Jakirlic und Jovanovic (JFM 656, 530-539, 2010) als Ausgangsbasis dient. Bei diesem Ansatz wird die turbulente Dissipationsrate in einen homogenen und einen inhomogenen Anteil zerlegt. Der letztgenannte Anteil wird mittels der Faktorisierung des Diffusionsterms berücksichtigt. Der homogene Anteil basiert auf einer Taylor-Reihenentwicklung und wird in Abhängigkeit des homogenen lateralen Taylor-Längenmaßes gebildet, weshalb bei diesem Modell keine empirischen Koeffizienten benötigt werden. Der Ansatz führt zu einer deutlich verbesserten Beschreibung des wandnahen URANS-Bereichs. Ferner beleuchtet diese Arbeit die Bedeutung der verwendeten Einstrombedingungen für wirbelauflösende Simulationen. Für die Bereitstellung von sinnvollen instationären Einstrombedingungen wird das Konzept der digitalen Filter von Klein et al. (J. Comp. Phys. 186, 652-665, 2003) erweitert und mit der hybriden Methode verschmolzen. Außerdem wird die Anwendbarkeit des hybriden Verfahrens auf externe Strömungen mit laminar-turbulentem Umschlag erweitert. Die bestehenden Umschaltmechanismen zwischen den URANS- und LES-Gebieten benötigen eine zusätzliche Bedingung, mit der die laminaren und turbulenten Regionen detektiert werden. Dies erfolgt durch das neue TR-Umschaltkriterium, das mittels des Vergleichs zwischen dem subgrid-scale Längenmaß und dem Kolmogorov-Längenmaß eine sinnvolle Unterteilung ermöglicht. Als weitere Herausforderung erweist sich, dass die Einlassgebiete von externen Strömungen typischerweise sehr grob aufgelöst sind. Dieser Umstand kann zu einem Informationsverlust der vorgegebenen synthetischen turbulenten Einstromdaten führen, bevor diese die umströmte Geometrie erreichen. Um diese Problemstellung zu umgehen, wird in dieser Arbeit erstmalig eine Quelltermformulierung basierend auf dem Konzept der digitalen Filter vorgeschlagen, mit deren Hilfe die Vorgabe der Einstromturbulenz in eine fein aufgelöste Region verschoben werden kann. Anhand der klassischen ebenen Kanalströmung wird die grundlegende Anwendbarkeit sowohl des neu eingeführten erweiterten Dissipationsmodells als auch des synthetischen Turbulenzgenerators mit und ohne Quelltermformulierung untersucht. Die anschließende Betrachtung der Strömung über periodisch angeordnete Hügel steigert die Komplexität des Testfall. Unter anderem beinhaltet diese Strömung eine druckinduzierte Ablösung und stellt folglich einen idealen Anwendungsbereich für das hybride Verfahren dar, weil entsprechend der Stärken der LES- und URANS-Ansätze zwischen den Berechnungsmodi umgeschaltet werden muss. Die Analyse der hybriden Simulationen konzentriert sich in diesem Fall auf den Einfluss der Umschaltposition und die Gitterabhängigkeit. Zusätzlich umfasst die Auswertung den Vergleich zwischen den Simulationen mit periodischen Randbedingungen in Hauptströmungsrichtung und synthetischen turbulenten Einstromdaten. Dabei wird mit Hilfe des Vergleichs zwischen zeitlich konstanten und instationären Einstromprofilen die Bedeutung der Einstromturbulenz herausgearbeitet. Die Resultate der hybriden Simulationen mit Einstromturbulenz werden ebenfalls hinsichtlich der Gitterabhängigkeit und dem Einfluss der Umschaltposition diskutiert. Die Betrachtung zweier unterschiedlicher dreidimensionaler Diffusorströmungen stellt aufgrund der wegfallenden homogenen Richtung den aufwendigsten Testfall der untersuchten internen Strömungen dar. Bei der Analyse der Strömungsverläufe wird gezeigt, dass die hybriden Simulationen die Lage und Ausdehnung des Rezirkulationsgebiets korrekt wiedergeben. Die Analyse der Ergebnisse bezüglich der Wahl des Dissipationsmodells steht dabei ebenso im Vordergrund der Auswertungen wie die Umschaltposition. Abschließend werden alle Erweiterungen verwendet, um die Umströmung entlang des SD7003-Tragflügels zu berechnen. Zunächst wird mit Hilfe von Simulationen ohne Turbulenzgrad gezeigt, dass das TR-Umschaltkriterium die Simulation von externen Strömungen mit lamniar-turbulentem Umschlag mittels des hybriden Verfahrens erlaubt.Im Anschluss wird die Quelltermformulierung eingesetzt, um einen realistischen Turbulenzgrad in der Anströmung zu erzeugen, der den direkten Vergleich zwischen numerischen und experimentellen Daten zulässt. Durch diese Quelltermformulierung ist die Variation der Anströmbedingungen und insbesondere des zugehörigen Turbulenzgrads sehr einfach realisierbar. Auf diese Weise lässt sich die im Experiment gefundene hohe Sensitivität der Lage und Größe der laminaren Ablöseblase vom Turbulenzgrad auch in den numerischen Simulationen eindeutig nachvollziehen.
description: The present study is concerned with the enhancement of the hybrid LES-URANS method of Jaffrezic und Breuer (FTC 81, 415-448, 2008) enabling simulations of complex turbulent flows based on eddy-resolving techniques. A main objective of this investigation is the improvement of the modeling of the turbulent dissipation rate, which is realized by taking the approach of Jakirlic und Jovanovic (JFM 656, 530-539, 2010) into account. This proper formulation divides the turbulent dissipation rate into a homogeneous and an inhomogeneous part. The latter part is considered by a factor within the calculation of the diffusion term. The homogeneous part is analytically expressed by a Taylor series expansion and depends on the homogeneous lateral Taylor microscale leading to a formulation which avoids any empirical constants. This approach leads to a significantly improved description of the near-wall URANS region. Moreover, the present study evaluates the influence of the employed inflow boundary conditions on eddy-resolving simulations. The generation of reasonable instantaneous inflow boundary conditions is realized by the digital filter concept by Klein et al. (J. Comp. Phys. 186, 652-665, 2003) and for the first time merged with this unique hybrid method. Furthermore, the application area of this hybrid method is extended to allow the simulation of external flows with laminar-turbulent transition. The existing switching procedure between the URANS and LES areas requires an additional criterion, which separates the laminar and turbulent regions. This goal is achieved by the TR switching criterion, where the detection of both flow states is based on the ratio between the subgrid-scale length scale and the Kolmogorov length scale. A further challenge for the simulations of external flows is the typically coarsely resolved inflow region. This circumstance results in a loss of information of the synthetically generated turbulent inflow data before reaching the region of interest. To prevent these problems, a source term formulation of the digital filter concept is introduced allowing to shift the superposition of the synthetic turbulent inflow data from the inlet to a well resolved region. The general application of the modeling approach of the turbulent dissipation rate, the extended synthetic turbulence inflow generator as well as the new source term formulation of the digital filter concept is extensively evaluated based on the plane channel flow. The subsequent analysis of the periodic hill flow increases the complexity of the investigated flow configurations. This test case includes a pressure-induced separation and hence requires a meaningful distribution of the URANS and LESmodes to deliver satisfying predictions of the flow. The evaluation of the hybrid simulations concentrates on the dependency of the results on the employed switching position and the grid resolution. Furthermore, a comparison between hybrid simulations applying periodic boundary conditions and synthetically generated inflow profiles is presented. Based on an additional comparison of predictions relying on time-independent and instantaneous inflow data, the importance of appropriate inflow boundary conditions is underlined. Similar to the investigations of the hybrid simulations applying periodic boundary conditions, the hybrid simulations applying synthetic inflow data are also examined with respect to the employed switching position and the grid resolution. Due to the missing homogeneous direction the two three-dimensional diffusers offer the most demanding internal flow investigated in this study. The analysis of the resulting flows shows that the hybrid simulations are able to deliver the correct position and shape of the recirculation areas along the walls. Furthermore, the influence of the employed model for the dissipation rate as well as the switching position are evaluated in detail. Finally, all extensions are used to perform hybrid simulations of the external flow around the SD7003 airfoil. In order to show the general applicability of the TR switching procedure for external flows with transition, hybrid simulations without any turbulence intensity are performed. Afterwards, the new source term formulation is used to allow a meaningful comparison between numerical predictions and experimental measurements. Based on the source term formulation it is very easy to vary the inflow boundary conditions and thus the oncoming turbulence intensity. In this way, the observed high sensitivity of the position and shape of the laminar separation bubble regarding the turbulence intensity found in the experiments can be explicitly reproduced by numerical simulations with different turbulence intensities.