بررسی عددی تاثیر مدل‌های مختلف مرز ورودی برمشخصه‌های جریان لایه مرزی آشفته با رهیافت شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد

3 دانش‌آموخته دکتری، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، تهران

چکیده

در این مطالعه اثر سه مدل مختلف مرز ورودی بر مشخصه‌های جریان لایه مرزی آشفته روی صفحه تخت بررسی شده است. مدل‌های مرزی مورد بررسی شامل پروفیل سرعت ورودی یکنواخت با آشفته‌سازی توسط تریپ، مدل مرز ورودی مبتنی بر حل اولیه (تی وی ام اف) و مدل بازمقیاس-بازنگاشتی لاند، در رهیافت شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ قابل استفاده است. شبیه‌سازی جریان با رهیافت شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ و ضریب اسماگورینسکی دینامیکی در نرم‌افزار اوپنفوم انجام شده است. همچنین اعتبارسنجی روش عددی با کمک نتایج حل عددی مستقیم و تحلیلی انجام شده است. مقایسه ضریب اصطکاک پوسته‌ای با روابط تحلیلی نشان می‌دهد که حداکثر انحراف در شبیه‌سازی با مدل‌های مرزی مبتنی بر حل اولیه، لاند و آشفته‌سازی توسط تریپ به ترتیب %3/4، %5/4 و %2/19 است. بعلاوه در‌حالیکه مقدار و روند توسعه ضخامت‌های انتگرالی، مولفه-های سرعت و سایر مشخصه‌های جریان در شبیه‌سازی با شروط مرزی مبتنی بر حل اولیه و لاند انطباق مناسبی با نتایج شبیه‌سازی مستقیم عددی دارند، نتایج استفاده از تریپ انحراف بیشتری از نتایج شبیه‌سازی مستقیم عددی دارند. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که استفاده از مدل‌های مرز ورودی مبتنی بر حل اولیه و لاند در شبیه‌سازی با رهیافت شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ، مناسب‌تر بوده و در کاهش هزینه محاسبات کاملاً موثر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Sandberg RD, Sandham ND (2008) Direct numerical simulation of turbulent flow past a trailing edge and the associated noise generation. J Fluid Mech (596): 353-385.

[2] Winkler J, Moreau S, Carolus T (2010) Airfoil trailing edge noise prediction from large-eddy simulation: influence of grid resolution and noise model formulation. 16th AIAA/CEAS aeroacoustics conference.

[3] Afshari A, Dehghan AA, Kalantar V, Farmani M (2017) Experimental investigation of surface pressure spectra beneath turbulent boundary layer over a flat plate with microphone. Modares Mech Engin 17(1): 263-272.

[4] Khujadze G, Oberlack M (2004) DNS and scaling laws from new symmetry groups of ZPG turbulent boundary layer flow. Theoretical and Computational Fluid Dynamics 18(5): 391-411.

[5] Khujadze G, Oberlack M (2007) New scaling laws in ZPG turbulent boundary layer flow. TSFP digital library online. Begel House Inc.

[6] Marusic I et al. (2015) Evolution of zero-pressure-gradient boundary layers from different tripping conditions. J Fluid Mech (783): 379-411.

[7] Schlatter P, et al. (2009) Turbulent boundary layers up to Reθ=2500 studied through simulation and experiment. Physics of Fluids 21(5): 051702.

[8] Örlü R, Schlatter P (2011) Inflow length and tripping effects in turbulent boundary layers. Journal of Physics Conference Series 318(2): 022018.

[9] Akselvoll K, Moin P (1993) Large eddy simulation of a backward facing step flow. Engineering Turbulence Modeling and Experiments, Elsevier: 303-313.

[10] Spalart P R (1988) Direct simulation of a turbulent boundary layer up to Reθ= 1410. J Fluid Mech (187): 61-98.

[11] Lund TS, Wu X, Squires KD (1998) Generation of turbulent inflow data for spatially-developing boundary layer simulations. J Comput Physics 140(2): 233-258.

[12] Lund TS, Moin P (1996) Large-eddy simulation of a concave wall boundary layer. Int J Heat and Fluid Flow 17(3): 290-295.

[13] Simens MP, et al. (2009) A high-resolution code for turbulent boundary layers. J Comput Physics 228(11): 4218-4231.

[14] Piomelli U, Yuan J (2013) Numerical simulations of spatially developing, accelerating boundary layers. Phys Fluids 25(10): 101304.

[15] Xiao F, Dianat M, McGuirk JJ (2017) An LES Turbulent Inflow Generator using A Recycling and Rescaling Method. Flow, Turb and Combus 98(3): 663-695.

[16] Lilly DK (1992) A proposed modification of the Germano subgrid‐scale closure method. Phys Fluids A: Fluid Dyn 4(3): 633-635.

[17] Germano M, et al. (1991) A dynamic subgrid‐scale eddy viscosity model. Phys of Fluids A: Fluid Dyn 3(7): 1760-1765.

[18] Wagner C, Hüttl T, Sagaut P (2007) Large-eddy simulation for acoustics. Cambridge University Pres.: 209.

[19] Zahiri A, Roohi E (2018) Implementation of the anisotropic minimum-dissipation (AMD) sub-grid scale model in OpenFOAM and its evaluation in treating turbulent channel flow. Modares Mech Engin. 17(12): 478-484.

[20] Bodling A, et al. (2017) Numerical Investigation of Bio-Inspired Blade Designs at High Reynolds Numbers for Ultra-Quiet Aircraft and Wind Turbines. 23rd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference.

[21] Wu X, Moin P (2009) Direct numerical simulation of turbulence in a nominally zero-pressure-gradient flat-plate boundary layer. J Fluid Mech(630): 5-41.

[22] Komminaho J, Skote M (2002) Reynolds stress budgets in Couette and boundary layer flows. Flow, Turb and Comb 68(2): 167-192.

[23] Afshari A, Azarpeyvand M, Dehghan AA, Szoke M, Maryami R (2019) Trailing edge flow manipulation using streamwise finlets. Journal of Fluid Mechanics (Accepted/In press).

[24] Rai MM, Moin P (1993) Direct numerical simulation of transition and turbulence in a spatially evolving boundary layer. J Comput Phys 109(2): 169-192.

[25] Schlatter P, ÖRlÜ R (2010) Assessment of direct numerical simulation data of turbulent boundary layers. J Fluid Mech (659): 116-126.