Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-3781
Authors: Uddin, Naseem
Title: Turbulence modeling of complex flows in CFD
Other Titles: Turbulenz-Modellierung komplexer Strömungen mit CFD
Issue Date: 2008
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-36383
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3798
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3781
metadata.ubs.bemerkung.extern: Druckausg. beim Verl. Dr. Hut, München erschienen. ISBN 978-3-89963-792-2
Abstract: In the last two decades of the 20th century, the world had witnessed the enormous increase in the computational resources. This has brought in the tremendous increase in human knowledge and understanding of complex phenomenon, like turbulence and its modeling among others. The technical development has brought new challenges in engineering design. Whether we limit ourselves to the earthly matters or indulge in space exploration, the simulation of turbulence has become a routine task. Turbulence is a phenomenon in nature comprising of complex eddy structures which can greatly improve heat and mass transfer. The simplistic approach for the computation of turbulent flows is to compute them by Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations based models. But due to the averaging procedure, the inherent unsteadiness of the flow is compromised. On the other hand, Direct Numerical Simulation (DNS) is the best approach for turbulent flow computations, in which no modeling assumptions are invoked and turbulent eddies as small as of the order of Kolmogorov scale are computed. The middle approach between these extremes is the Large Eddy Simulation (LES), in which part of the turbulence is modeled and rest is computed. However, the computational costs and memory requirement are still too large to take it as a general purpose engineering design tool. In this thesis, the effect of changes in inflow conditions on the heat transfer by an impinging jet is investigated using LES. The Dynamic Smagorinsky model proposed by Germano et al. has been used as a subgrid model. Results of several Large Eddy Simulations are reported in the thesis, which are conducted with use of total 244 processors on high performance computing clusters. The inflow conditions explored are: - The fully developed turbulent jet - Swirling jet - Velocity field active excitation - Velocity field passive excitation - Temperature field excitation An ERCOFTAC recommended benchmark test case of an orthogonally impinging round jet at Reynolds number of 23000 is simulated first. The agreement between the experiments and the LES gives encouragement for further investigations. Therefore in a next step, the effect of inlet velocity and temperature fields excitations of an orthogonally impinging round jet, on the heat transfer are explored. In case of the active control of the impinging jet’s inlet velocity field, it is found that the selection of excitational frequencies is important for heat transfer enhancement. The excitation at the subharmonic frequencies of the preferred mode is found to be a promising approach for heat transfer enhancement. A passively excited inlet velocity field is also investigated. It is found that this approach gives a better heat transfer than an active excitation case. The novel idea of heat transfer enhancement through jet’s inlet temperature field excitation is presented. The LES shows that the excitation at the preferred mode can give surface averaged Nusselt number higher than the non-excited jet impingement case. However the frequencies higher than the preferred mode should be taken with care, as they might cause thermal fatigue. The effect of the addition of the swirl to the impinging jet on the heat transfer is investigated. Also, it is found that the swirl does not give appreciable enhancement in heat transfer for H=D=2 case. The knowledge of flow and passive scalar flux dynamics gained through the simulation has helped in understanding the functional relationship between different turbulence quantities and heat transfer. It is found that the assumption of a constant turbulent Prandtl number (often used in RANS based models) is not a realistic approach. Alternative is to use scalarflux models, which allow the prediction of scalar-fluxes in non-isotropic turbulent state. The knowledge gained through the LES is then used to investigate coefficients in some explicit scalar-flux models (RANS based models). The investigation gives insight in the impingement phenomenon, which could help in the development of advanced turbulence models for heat transfer prediction.
Die 80er- und 90er-Jahren des 20. Jahrhunderts waren gekennzeichnet durch eine enorme Steigerung des Leistungsvermögens von Computern. Diese Entwicklung führte dazu, dass komplexe Phänomene, wie z.B. Turbulenz und ihre Modellierung nun sehr viel besser verstanden werden. Diese technische Entwicklung hält auch neue Herausforderungen für Ingenieure bereit. Ob man sich auf Vorgänge auf der Erde beschränkt, oder den Weltraum erkundet: die Simulation von Turbulenz ist zu einer Routineaufgabe geworden. Turbulenz ist ein Naturphänomen. Sie besteht aus komplexen Wirbelstrukturen, die den Impuls-, Wärme- und Stofftransport stark verbessern können. Der einfachste Weg, turbulente Strömungen zu berechnen, ist, sie mit Hilfe der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS) zu modellieren. Allerdings wird hierbei das systemimmanente instationäre Verhalten der Strömung geglättet. Dahingegen liefert die Direkte Numerische Simulation (DNS) die genauesten Resultate bei der Simulation turbulenter Strömungen. Bei diesem Verfahren werden keinerlei vereinfachende Modelle verwendet und kleinste turbulente Wirbel bis zur Kolmogorov-Größenordnung werden berechnet. Einen Mittelweg zwischen diesen beiden Ansätzen stellt die Large Eddy Simulation (LES) dar, bei der nur ein Teil der turbulenten Strukturen aufgelöst und der Rest modelliert wird. Trotz dieser Vereinfachung sind die Kosten und der Speicheraufwand dieser Methode immer noch zu hoch, um sie für Ingenieursanwendungen zu einem Standardwerkzeug werden zu lassen. In dieser Arbeit wird die LES-Methode benutzt, um die Auswirkung von Veränderungen der Eintrittsbedingungen auf den Wärmeübergang eines Prallstrahls zu untersuchen. Das dynamische Smagorinsky-Modell von Germano et al. wurde als Subgrid-Modell verwendet. Die Ergebnisse von mehreren LES-Rechnungen, die auf 244 Prozessorkernen auf Hochleistungsrechnern durchgeführt wurden, werden dargestellt. Die verschiedenen untersuchten Eintrittsbedingungen sind: - voll ausgebildeter turbulenter Strahl - drallbehafteter Strahl - aktiv angeregtes Geschwindigkeitsfeld - passiv angeregtes Geschwindigkeitsfeld - angeregtes Temperaturfeld Zunächst wird ein ERCOFTAC Benchmark-Testfall eines senkrechten kreis förmigen Prallstrahls mit der Reynoldszahl 23.000 simuliert. Die gute Übereinstimmung zwischen den Experimenten und der LES-Rechnung ist die Grundlage für die folgenden Untersuchungen. Im nächsten Schritt wird der Einfluss der Anregung von Geschwindigkeits- und Temperaturfeld auf den Wärmeübergang bestimmt. Für den Fall der aktiven Anregung des Geschwindigkeitsfeldes im Strahleintritt stellt sich heraus, dass die Wahl der Anregungsfrequenz wichtig ist für die Intensivierung des Wärmeübergangs. Eine Anregung mit subharmonischen Frequenzen der bevorzugten Mode erweist sich als vielversprechend. Ein passiv angeregtes Geschwindigkeitsfeld wird ebenfalls untersucht. Der Wärmebergang ist gegenüber der aktiven Anregung verbessert. Eine neuartige Idee der Wärmeübergangssteigerung durch Anregung des Geschwindigkeitsfeldes beim Strahleintritt wird präsentiert. Die LES zeigt, dass die Anregung bei der bevorzugten Mode die flächengemittelte Nusseltzahl im Vergleich zum nicht angeregten Fall steigert. Allerdings ist Vorsicht geboten bei der Auswahl von Anregungsfrequenzen, die höher sind als die bevorzugte Mode, da sie thermische Ermüdung hervorrufen können. Zusätzlich wird die Auswirkung der Strahlverwirbelung auf den Wärmeübergang untersucht. Darüber hinaus wird festgestellt, dass die Verwirbelung den Wärmeübergang für H/D=2 nicht nennenswert steigert. Die durch diese Simulationen gewonnenen Kenntnisse der Strömungsmechanik und der passiven Skalarflüsse sind hilfreich für das Verständnis des funktionalen Zusammenhangs zwischen verschiedenen Turbulenzgrößen und dem Wärmeübergang. Die Annahme einer konstanten turbulenten Prandtlzahl (wie sie oft in RANS-Modellen Anwendung findet) ist vielfach nicht realistisch. Alternativ empfiehlt es sich, Skalarfluss-Modelle zu verwenden, die eine Vorhersage der Skalarflüsse in anisotroper Turbulenz erlauben. Das mit Hilfe der LES-Rechnungen gewonnene Verständnis wird benutzt, um die Koeffizienten in einigen expliziten (RANS basierten) Skalarfluss-Modellen zu analysieren. Die Untersuchung vermittelt einen Einblick in das Verhalten eines Prallstrahls, was für die weitere Entwicklung von Turbulenzmodellen für die Simulation des Wärmeübergangs hilfreich sein kann.
Appears in Collections:06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Naseem_Uddin_Thesis_part01.pdf14,38 MBAdobe PDFView/Open
Naseem_Uddin_Thesis_part02.pdf7,68 MBAdobe PDFView/Open


Items in OPUS are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.