Επίλυση τυρβώδους ροής αέρα γύρω από εδρασμένο εμπόδιο με την άμεση αριθμητική προσομοίωση
Creators: name: Φράγκος, Βασίλειος Π.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2004
Subjects: Αμεση αριθμητική προσομοίωση
Direct Numerical Simulation

description: Στην παρούσα εργασία επιλύθηκε το μοντέλο της τυρβώδους ροής αέρα γύρω από εδρασμένο εμπόδιο με την άμεση αριθμητική προσομοίωση(Direct Numerical Simulation, DNS). Οι εξισώσεις κίνησης για ιξώδη ρευστά,(εξισώσεις Navier-Stokes) και η εξίσωση συνέχειας, για διδιάσταση, ασταθή, ασυμπίεστη και ιξώδη ροή, επιλύονται με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, μέθοδος Galerkin, χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες οριακές και αρχική συνθήκες. Το πρόγραμμα της αριθμητικής επίλυσης και το πλέγμα ροής έγινε από τον γράφοντα. Το αδιάστατο χρονικό βήμα επιλέχθηκε να είναι Δt=0,01. Τα ελάχιστα και μέγιστα αδιάστατα χωρικά βήματα υπολογισμού ήταν ίδια και για τις δύο διαστάσεις, δηλαδή Δx(min)=Δy(min)=0,01 και Δxmax=Δy(max)=1. Οι διαστάσεις του χρονικού και χωρικών βημάτων είναι μικρότερα των κριτηρίων Kolmogorov. Για κάθε χωρικό σημείο μέτρησης έγιναν 15.000 στιγμιαίες αριθμητικές προβλέψεις που αντιστοιχούν σε συνολικό χρόνο t=150, δηλ. t=0.3sec. Επίσης, το πρόγραμμα της στατιστικής επεξεργασίας, για τον υπολογισμό των μέσων ως προς το χρόνο, τιμών των μεγεθών ροής, έγινε από τον γράφοντα. Ως αρχική συνθήκη ορίστηκε η κατάσταση ροής, που προκύπτει για (Re)h=1, με το αντίστοιχο πεδίο ροής. Η ανάντη οριακή συνθήκη ήταν ομοιόμορφη κατανομή ταχύτητας, οι οριακές συνθήκες των τοιχωμάτων ήταν οι "no-slip conditions", ενώ η κατάντη οριακή συνθήκη ήταν "ελεύθερη". Η επίλυση της άμεσης αριθμητικής προσομοίωσης, με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων προγραμματίστηκε σε γλώσσα FORTRAN για ηλεκτρονικό υπολογιστή. Υπολογίστηκαν οι στιγμιαίες τιμές των μεταβλητών, (ταχύτητες, πιέσεις), σε όλο το υπολογιστό πεδίο. Οι υπολογισμένες στιγμιαίες τιμές χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των γραμμών ροής, των κατανομών των συνιστωσών ταχυτήτων, των τάσεων Reynolds, της πίεσης, του στροβιλισμού, της διακύμανσης των συνιστωσών ταχυτήτων, της ελεύθερης διατμητικής τάσης και της διατμητικής τάσης των τοιχωμάτων, του ενεργειακού φάσματος και του ισοζύγιου της τυρβώδους κινητικής ενεργειας
description: The turbulent model of the direct numerical simulation, DNS, is used to predict a two dimensional, incompressible, newtonian and unsteady turbulent flow over a surface-mounted bluff-body. The finite element method, (Galerkin method), is used to solve the N-S and continuity equations. The simulation is conducted at a Reynolds number of 1304, based on the step height h(Reynolds number based on the tunnel's height Re(H)=1.25X10(4)) and inlet free-stream velocity. The initial condition of the flow is stated at Reynolds number Re(h)=1 and its flow field. The upstream boundary condition is a uniform velocity, the wall-boundary conditions are the no-slip conditions and the downstream boundary condition is a "free" condition. Instantaneous profiles of velocity components, pressure and velocity fluctuations are predicted. Contours of instantaneous and time mean averaged stream function(Ψ), spanwise vorticity(ω) and static pressure are computed. The calculated rms profiles of the longitudinal and vertical velocity flunctuations and the Reynolds shear stress component are presented. The energy spectrum E(k) that follows a k(-5/3) law, the mean velocity profiles following the wall law, the mean time-averaged turbulence characteristics and the turbulent kinetic energy balance of the flow are calculated, too. The separation and reattachment locations of the instantaneous velocity fields shows that their distances vary in the streamwise direction. The predicted and calculated results are compared with experimental and predicted data. It is shown that the DNS model as a turbulent model, predicts satisfactorily the experimental data, while its predictions are better than other models