Numerieke simulatie driedimensionale turbulente menglaag
WN 01/57 *14 september 2001
promotie mw. ir. I.C.C. de Bruin, faculteit Toegepaste Wiskunde:
'Direct and Large-Eddy Simulation of the Spatial Numerical Mixing Layer'
In dit proefschrift staat de numerieke simulatie van de driedimensionale
turbulente menglaag centraal. Om de stadia naar volledig ontwikkelde
turbulentie te bestuderen, zijn directe numerieke simulaties (DNS) van de
`ruimtelijke' menglaag uitgevoerd. Dit resulteerde in een database waaruit
meerdere fysische eigenschappen van een subsone turbulente menglaag kunnen
worden geëxtraheerd. De numerieke robuustheid van de DNS is vastgesteld door
simulaties bij verschillende resoluties en met verschillende groottes van
het rekendomein uit te voeren. De resultaten van verschillende
instroomcondities met verstoringen uit lineaire stabiliteitstheorie (LST) of
juist met een random karakter, resulteerden in dezelfde groeifactor in het
turbulente gebied en komen goed overeen met experimentele resultaten.
Spiraalvormige paring kwam in beide gevallen voor. Verscheidene
modelaannames van typische Reynolds-gemiddelde Navier-Stokes-benaderingen
zijn vergeleken met de statistische DNS-voorspellingen en bleken erg
onnauwkeurig. Zelfs na relatief lange tijdsmiddeling convergeerden
hogereordemomenten, zoals de Reynolds spanningstensor, slechts langzaam.
Large-eddy-simulaties zijn uitgevoerd in hetzelfde rekendomein met behulp
van diverse subgridmodellen. De resultaten zijn vergeleken met gefilterde
DNS-resultaten. Voor de uitbreiding naar een realistische configuratie, dat
wil zeggen in een groter rekendomein en met een hoger Reynoldsgetal, is het
dynamische eddy-viscositeitsmodel gebruikt. De domeinvergroting in de
dwarsrichting resulteerde zowel in een grotere groeifactor als in een hogere
mate van driedimensionaliteit. De ontwikkeling van sommige componenten van
de Reynoldsspanningstensor in de stroomrichting vertoonde tekenen van
gelijkvormigheid. Dit werd vooral duidelijk bij domeinvergroting in de
stroomrichting. Bij herhaling van de simulatie met een tien keer zo groot
Reynoldsgetal ontstonden bovendien meer kleinschalige structuren.
In de standaardformulering van dynamische subgridmodellen fluctueert de
dynamische coëfficiënt als functie van tijd en plaats. Op de middellijn
bleek de waarde van de tijdsgemiddelde coëfficiënt bij benadering constant
te zijn in het turbulente gebied. Dit gaf aanleiding tot de introductie van
een subgridmodel dat als alternatief een tijdsgemiddelde coëfficiënt
gebruikt. Statistische resultaten van dit model komen overeen met eerdere
bevindingen. De rekentijd neemt af, omdat de coëfficiënt in het nieuwe model
minder vaak berekend wordt. Door de middeling over de tijd kan dit model ook
gebruikt worden als er een homogene ruimtelijke richting is, zodat het ook
geschikt is voor veel andere stromingen.
promotor prof. dr. ir. P.J. Zandbergen
assistent-promotor dr. J.G.M. Kuerten
informatie drs. B. Meijering, telefoon (053) 489 43 85
e-mail b.meijering@cent.utwente.nl