Browsing by Author "Brandt, Tellervo"

Now showing 1 - 5 of 5

Design and selection of teaching equipment for fluid dynamics
(2003) Hyttinen, Lari
Helsinki University of Technology | Master's thesis
Development of the Computing Procedure for a Base-Bleed Projectile
(2003) Jaatinen, Jussi
Helsinki University of Technology | Master's thesis
Tässä työssä tarkastettiin aluksi TKK:n Aerodynamiikan laboratoriossa kehitetyn FINFLO- virtausratkaisijan toimivuus useiden versiopäivityksien jäljiltä. Tarkastus suoritettiin kuuden testitapauksen avulla, jotka kaikki liittyvät 155mm perävirtausammuksen virtauskentän tutkimiseen. Suoritettujen testien perusteella todettiin uusimman FINFLO-version 5.5.2 toimivan aivan yhtä hyvin kuin aikaisempi versio 5.1.1. Tämän lisäksi luotiin Linux-käyttöjärjestelmään mahdollisuus käyttää FINFLO-ohjelmaa sekä sen tulosten jälkikäsittelyssä että laskentahilojen tekemisessä tarvittavia ohjelmia. Työ piti sisällään FINFLOn 3D-koodin kääntämisen ja muokkaamisen siten, että se toimii lähdekoodin kääntämiseen valitun Intel Fortran -kääntäjän kanssa. Myös FINFLO Oy:ltä ostetut tulosten piirtämisessä tarvittavat Convergence- ja Draw-ohjelmat käännettiin ja muokattiin aerodynamiikan laboratorion FINFLO-ohjelmaan sopiviksi. Näiden lisäksi asennettiin kaupalliset Gridgen- ja Ensight-ohjelmat. Lopulta käännetyn ja asennetun FINFLO-ohjelman toimivuus tarkastettiin kahdella testitapauksella. Samalla suoritettiin myös nopeusvertailuja Linux- ja Silicon Graphics -koneiden välillä. Tehtyjen testilaskujen perusteella havaittiin Linux-Finflon toimivan moitteettomasti. Nopeusvertailut osoittivat uuden Linux-tietokoneen olevan noin kolme kertaa vanhaa tietokonekalustoa nopeampi. Kolmanneksi tässä työssä tutkittiin sekä pyörivän että pyörimättömän perävirtausammuksen virtauskenttää pienillä kohtauskulman arvoilla. Kohtauskulman arvoiksi valittiin 0°, 2° ja 4°. Vapaan virtauksen ammuksen halkaisijaan referoitu Reynoldsin luku oli 1,4- 10[6] ja Machin luku 1,2. Laskuja varten luotiin täysin kolmiulotteiden laskentahila, koska aksiaalissymmetriaoletus ei ole voimassa, kun kohtauskulma on nollasta poikkeava. Turbulenssimallien vertailemiseksi laskut suoritettiin käyttäen k-omega RCSST- ja EARS-mallia. Suoritettujen laskujen avulla voitiin ennustaa ammukseen vaikuttavat aerodynaamiset voimat kohtuullisen tarkasti. Myös pyörimisen ja kohtauskulman yhteisvaikutuksesta syntyvä Magnus-efekti voitiin ennustaa melko tarkasti. EARS-turbulenssimallilla nostovoimakertoimien arvot olivat samansuuruiset k-omega RCSST -mallin kanssa, mutta vastuskertoimen arvo oli kaikilla kohtauskulmilla huomattavasti pienempi kuin k-omega RCSST -mallilla. EARS-malli kuvaa vanaveden pyörteen hieman erilaiseksi kuin k-omega RCSST -malli, minkä takia myös painejakauma ammuksen perässä on erilainen. Tämä selittää vastuskertoimien erisuuruiset arvot. Tutkimus osoitti, että nykyisellä ohjelmalla voidaan laskea myös kohtauskulmalla olevan pyörivän perävirtausammuksen virtauskenttää, mutta laskuihin uhrautuu hyvin paljon aikaa.
Inclusion of a two-equation turbulence model in the Navier-Stokes solver FINFLO-SHIP
(2000) Brandt, Tellervo
Helsinki University of Technology | Master's thesis
FINFLO-SHIP ohjelmiston kehitystyö tähtää työkaluun, jota voidaan käyttää laivasuunnittelussa. Kyseinen ohjelma ratkaisee numeerisesti Reynolds keskiarvotettuja Navier-Stokesin yhtälöitä. Turbulenssimallinnukseen käytetään joko algebrallista tai kahden yhtälön mallia. Tässä työssä on tutustuttu virtausratkaisijan FINFLO-SHIP rakenteeseen. Ohjelman sisältämistä numeerisista menetelmistä on kirjoitettu yhteenveto. Lisäksi työssä on tutustuttu niin kutsuttuihin turbulenssin pyörreviskositeettimalleihin. Työn soveltavana osana k-omega-SST (shear-stress transport) malli on sisällytetty FINFLO-SHIP:iin. k-omega-SST malli on kaksiyhtälö turbulenssimalli, jossa kaksi osittaisdifferentiaaliyhtälöä ratkaistaan turbulenssisuureille turbulenssin kineettinen energia, k, ja kineettisenenergian dissipaatio teho energiayksikköä kohti, omega . Tällä hetkellä k-omega-SST malli näyttää olevan selkeästi muita kahden yhtälön malleja parempi. Koska laivavirtauksessa esiintyy monia hankalia ilmiöitä, kehittyneiden turbulenssimallien sisällyttäminen FINFLO-SHIP:iin on tärkeä osa ohjelmiston kehitystyötä. k-omega-SST malli oli jo implementoitu Aerodynamiikan laboratorion FINFLO-versioon. Kuitenkin näiden kahden FINFLO-version välillä on selviä eroavaisuuksia. Tämän vuoksi k-omega-SST mallin implementointia ei voitu suoraan siirtää versiosta toiseen, vaan lähdekoodi oli ensin tutkittava huolellisesti. Uuden turbulenssimallin implementoinnin verifioimiseksi on laskettu kolme testitapausta. Kahden ensimmäisen testin tulokset ovat hyvin lähellä sekä Aerodynamiikan laboratoriossa laskettuja tuloksia että mittaustuloksia. Toisessa testitapauksessa esiintyy painegradientista aiheutuva virtauksen irtaantuminen ja uudelleenkiinnittyminen. Tässä tapauksessa uuden turbulenssimallin tuoma parannus tulee esille. Kolmas testitapaus oli laivan runko, HSVA-1 tankkeri. Tässä tapauksessa tulokset eivät olleet niin hyviä. Kuitenkin ilmeni, että vika ei liity uuteen turbulenssimalliin, vaan jokin muun osa ratkaisualgoritmia ei ole kunnossa. Ohjelman tarkemman verifioinnin ei katsottu kuuluvan tämän työn piiriin.
Studies on numerical errors in large eddy simulation
(2004) Brandt, Tellervo
Helsinki University of Technology | Licentiate thesis
Study on numerical and modelling errors in LES using a priori and a posteriori testing
(2007-03-02) Brandt, Tellervo
Doctoral dissertation (monograph)
Large eddy simulation (LES) is an approach to numerical simulation of turbulent flows. The so-called large scales are solved from the Navier–Stokes equations and the effect of the subgrid scales (SGS) is modelled. This thesis concentrates on the numerical and modelling error of LES where second-order finite-difference schemes and simple SGS models are applied. The work is restricted to these methods because they are often applied in practical LES, and some groups have reported results concerning a large numerical error related to low-order finite-difference-type schemes when compared to the effect of the SGS model. The research work of this thesis is divided into three parts. First, the error components are studied a priori. The focus is on a priori testing of the explicit filtering of the non-linear convection term of the Navier–Stokes equations, which has been suggested as a method to reduce the numerical error. In the second part, explicit filtering is applied in actual LES. The aim is to clarify if it is possible to improve the actual simulation results by explicit filtering as suggested by the a priori studies. In addition, the use of implicit filtering provided by both eddy-viscosity-type models and so-called subfilter-scale (SFS) models are compared to explicit filtering. In the third part, the error components are studied a posteriori using so-called grid-independent LES with and without explicit filtering and the Richardson extrapolation. The aims are related to separating the error components, clarifying the effect of explicit filtering, grid resolution and SGS model parameters on the components and to comparing the approaches. As a test case, a fully developed turbulent channel flow between two parallel walls is applied in all three parts of the thesis. The results of the a priori tests suggest that explicit filtering of the non-linear convection term effectively reduces the numerical error and increases the effect of the SGS model. However, in the actual performed simulations, explicit filtering increased the total simulation error and decreased the effect of the applied SGS models. Based on the performed a posteriori tests, in actual simulations with the standard Smagorinsky model, the numerical and modelling error are of the same magnitude, and explicit filtering with a smooth filter introduces a third error component which is larger than the other two error components. Of the applied approaches, the a posteriori tests using the grid-independent LES explain the behaviour of the actual simulations. The numerical error predicted by the a priori tests is too large and the effect of SGS modelling and explicit filtering are not properly described. The Richardson extrapolation for the numerical error is not valid at the applied grid resolution.