Implementation of a one-equation local correlation-based transition model

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-09-25
Department
Major/Subject
Virtausmekaniikka
Mcode
K3006
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
85+9
Series
Abstract
Transition is a common phenomenon in which a laminar flow becomes turbulent through a complicated process that drastically changes the flow characteristics. Since this phenomenon is present in practically all engineering applications, the ability to predict the transition plays a significant role in computational fluid dynamics (CFD). However, the current techniques for Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations comprise of a rather complex formulation and are therefore difficult to implement and fine-tune for varying flow conditions. In this thesis, a promising One-equation Local Correlation-based Transition Model is implemented into OpenFOAM CFD software, for which procedure a detailed tutorial is provided. The implementation is validated by running simulations with standard zero pressure gradient flat plate cases. Furthermore, the model response for varied inlet conditions is studied by examining the effect of eddy viscosity ratio and freestream turbulence intensity, and a new approach of coupling the transition model with the SST-sust turbulence model is proposed. The simulation results show that the implemented transition model predicts correctly the transition in zero pressure gradient flat plate cases and the estimated skin friction coefficient is in good accordance with experimentally obtained results. Furthermore, the studies indicate that a consistent behaviour for the transition model is achieved when coupled with a turbulence model with sustained turbulence.

Transitio on luonnossa yleisesti esiintyvä ilmiö, jossa laminaari rajakerrosvirtaus muuttuu turbulentiksi monimutkaisen prosessin aikana samalla muuttaen merkittävästi virtauksen ominaisuuksia. Transition ennustamisella on merkitys laskennallisessa virtausmekaniikassa, sillä tämä ilmiö esiintyy lähes kaikissa luonnollisissa virtauksissa ja virtauskoneissa. Nykyiset ajan suhteen keskiarvoistetuihin Navier-Stokes yhtälöihin perustuvat transition huomioivat laskentamallit rakentuvat kuitenkin perin monimutkaisten yhtälöiden varaan, täten hankaloittaen mallien implementoimista ja hienosäätöä erilaisiin virtaustilanteisiin. Tässä diplomityössä implementoidaan lupaava paikallisia korrelaatioita käyttävä yksi-yhtälö transitiomalli avoimeen lähdekoodiin perustuvaan OpenFOAM virtauslaskenta-ohjelmistoon. Lisäksi tähän toimenpiteeseen esitetään yksityiskohtainen tutoriaali, joka mahdollistaa mallin implementoinnin ohjelmistoon Linux-ympäristössä. Transitiomalli validoidaan standardeilla nolla-painegradientti tasolevy-tapauksilla. Tämän lisäksi transitiomallin toimintaa analysoidaan suorittamalla simulointeja erilaisilla pyörreviskositeetin suhteilla sekä vapaan virtauksen turbulenssin intesiteetin arvoilla tulovirtauksen reuna-ehdossa. Simulaatioiden tulosten perusteella voidaan todeta ennustetun transition ja pintakitkakertoimen vastaavan hyvällä tarkkuudella aikaisemmin esitettyjä kokeellisia tuloksia sekä mallilla suoritettuja tutkimuksia. Lisäksi analyysin tulokset viittaavat mallin kykenevän johdonmukaisempaan transition mallintamiseen tämän ollessa kytkettynä turbulenssimalliin, joka säilyttää virtauksen turbulenssin vakiona.
Description
Supervisor
Tuhkuri, Jukka
Thesis advisor
Siikonen, Timo
Keywords
transition, LCTM, turbulence, OpenFOAM, CFD, RANS
Other note
Citation