Lectura de Tesi doctoral de Joan Calafell Sandiumenge

Avís lectura tesi doctoral

Doctorand: JOAN CALAFELL SANDIUMENGE
Títol: Efficient wall modeling for large eddy simulations of general non-equilibrium wall-bounded flows
Directors: Asensio Oliva Llena - Francesc Xavier Trias Miquel
Lloc: Sala de Conferècies del TR5 - Campus TERRASSA
Data: 5 de juliol de 2019 - Hora: 11:30

RESUM:

El principal objectiu d'aquesta tesi ha estat contribuir al desenvolupament de metodologies relacionades amb wall modeling aplicat a Large Eddy Simulations (LES) de fluxos de paret, especialment per a números de Reynolds alts. Aquesta configuració de flux es troba en un ampli número d'aplicacions industrials. Tot i això, donada la naturalesa de les capes límit, la resolució numèrica acurada d'aquest tipus de flux de manera rutinària és inviable. La tècnica de wall modeling pretén reproduir els efectes de la capa límit interna sense necessitat de resoldre-la explícitament. Això permet la resolució de fluxos de paret a alts números de Reynolds amb una fracció del cost que tindria si la capa límit interna fos resolta tant des d'un punt de vista espacial com temporal.

Aquest treball està format per sis capítols. El primer és una introducció a la dinàmica de fluids computacional (CFD en les seves sigles en anglès), des de les metodologies més acurades i generals, fins a les tècniques més específiques i simplificades.

Al segon capítol s'introdueixen les magnituds físiques rellevants que s'han d'analitzar per a avaluar i confirmar la fiabilitat d'una determinada simulació numèrica CFD d'alta fidelitat. Es consideren tant els aspectes espacials com temporals, els quals són fonamentals per a la correcta resolució d'un flux turbulent.

Al tercer capítol es presenta un model de paret Two-Layer per a fluxos de no-equilibri i geometries complexes. Els models wall shear stress en general i els models basats en RANS en particular, estan afectats per els problemes de "log-layer mismatch" i "resolved Reynolds stresses inflow", que deterioren la qualitat de les prediccions numèriques. El model proposat incorpora un filtre temporal a la interfície entre el model de paret i el domini LES, el qual suprimeix els dos errors comentats prèviament amb un sol pas de baix cost computacional. Fins ara, la eliminació d'aquests dos errors es duia a terme amb tècniques separades que en alguns casos eren complexes i costoses des d'un punt de vista computacional.
A més a més, es proposa una metodologia per a la determinació de la longitud de filtre temporal òptima, la qual és validada tant en condicions d'equilibri com de no-equilibri. La nova tècnica està basada en l'obtenció de l'espectre de freqüències de la velocitat, el qual revela les característiques de les escales temporals del flux en la regió propera a la paret. Segons els resultats obtinguts en els tests, es conclou que per als models Two-Layer basats en RANS, les freqüències més altes que el límit entre el rangs energy-containing i inercial, s'han de filtrar.

En el capítol quatre es presenta el model matemàtic del Two-Layer model basat en les equacions URANS. A més a més, es detalla la metodologia numèrica utilitzada per a la seva resolució a través del mètode dels volums finits.

Al capítol cinc es presenta la implementació del model numèric presentat al capítol quatre. El model desenvolupat en aquesta tesi és un solver de CFD complert basat en les equacions URANS. Donat que el principal objectiu del wall modeling és la reducció de costos computacionals, és necessària una implementació eficient del model. És per això que la eficiència paral•lela del codi implementat s'analitza a través d'un strong scalability test. En aquestes proves es determina el bon comportament del codi, encara que s'identifiquen punts en els que es pot optimitzar la implementació actual.

Finalment, a l'últim capítol es presenten les conclusions generals del treball. A més a més, s'hi inclouen un seguit de propostes sobre futures línies de recerca dirigides aprofundir en les conclusions obtingudes durant la realització del present estudi.