Yerel değişkenlere bağlı cebirsel türbülansa geçiş modeli
An algebraic transition model depending on local variables
Yazar: SAMET ÇAKA ÇAKMAKÇIOĞLU
Danışman: PROF. DR. ÜNVER KAYNAK
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, 2013 yılında Baş vd. tarafından geliştirilmiş olan deneysel bağıntılara ve yerel akış bilgilerine dayalı cebirsel türbülansa geçiş modelinin bir açık-kaynak HAD yazılımı olan SU2'ya eklenmesi ve geniş bir kullanıcı kitlesine erişmesi amaçlanmıştır. Bu süreçte model boyutsuzlaştırılmış, ve bir model parametresi modelin özgün yapısına bağlı kalınarak çözüm ağından bağımsızlaştırılmıştır. Kullanılan türbülansa geçiş modelinde literatürdeki 1- ya da 2-denklemli modellerden farklı olarak kesiklilik denklemi yerine kesiklilik fonksiyonu kullanılmaktadır. Modelin ana fikri, türbülansa geçiş için kesiklilik taşınım denklemleri kullanmak yerine, Spalart-Allmaras türbülans modelinin hali hazırda taşınım denklemi karakteristiği gösteren denkleminden faydalanmaktır. Bu bağlamda, Spalart-Allmaras türbülans modelinin türbülans üretim terimi, yeni geliştirilen kesiklilik fonksiyonu γBC yardımıyla türbülansa geçiş için belirli kriterler sağlanana kadar baskılanmaktadır. Kullanılan türbülansa geçiş modeli literatürdeki modeller gibi yerel akış değişkenlerine bağlı olup, türbülansa geçiş kriteri olarak deneysel bağıntıları temel almaktadır. Bu model, yüksek mertebeli diğer modellere göre daha az denklem çözmesinin yanı sıra daha az sayıda kalibrasyon sabitine sahiptir. Tez kapsamında, SU2 yazılımına eklenen türbülansa geçiş modeli kullanılarak, ilk olarak, sıfır ve ters basınç farklı düz levha üzeri akış deneylerinin doğrulaması yapılmış ve oldukça başarılı sonuçlar elde edilmiştir. İkinci olarak, düşük Reynolds sayısı koşulunda test edilmiş bir kanat profili için çözümler yapılmıştır. Üçüncü olarak türbin kanatçıklarındaki akışın sayısal benzeşimi yapılmış ve böylece yeni modelin 2-boyutlu problemleri çözme kabiliyeti gösterilmiştir. Son olarak biri yüksek ses-altı Mach sayısında akış hızına sahip bir kanat, diğeri yavaş hızda dönmekte olan bir rüzgar türbini olmak üzere iki adet 3-boyutlu deney verileri, sunulan yeni model ile doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlara bakıldığında, yeni modelin daha az sayıda denklem çözmesi neticesinde daha az hesaplama gücü gerektirmesi, yeni modelin endüstriyel HAD uygulamalarında kullanılabilecek iyi bir seçenek olabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this thesis study, the correlation-based algebraic transition model developed and validated by Bas et al. in 2013 is integrated into the open-source CFD solver called SU2 in order to reach a wide user community. In this process, the model's non-dimensionalization is modified, without changing its mechanism or approach, to decrease mesh dependency. The employed model is qualified as an algebraic model, or a zero-equation model since it includes an intermittency function in place of an intermittency equation that is found in one- or two-equation models. The basic idea behind the model is that, instead of deriving new equations for intermittency transport, existing transport terms of the Spalart-Allmaras (S-A) turbulence model can be used. To this end, the production term of the S-A model is multiplied with the proposed intermittency function γBC; thereby the turbulence production is damped until it satisfies some turbulence onset requirements. The formulation also depends on local information that uses empirical correlations to detect the transition onset using less equations and less calibration constants than other higher order models. The model is first validated against some widely used zero and variable pressure gradient flat plate test cases with quite successful results. Second, the model is employed for some low Reynolds number airfoil cases with very promising results. Third, the model is applied for a turbine cascade case with success. Finally, two different three-dimensional wing flow cases were calculated under transonic and low subsonic flow conditions. To this end, the DLR-F5 wing subject to a transonic Mach number of 0.82 and the low speed NREL wind turbine flow case are simulated and good agreement with experiments are observed. The results indicate that the proposed model may become an alternative for other models as it uses less computational resources with equivalent or higher accuracy characteristics that is quite advantageous for the CFD design in industry.