Flow Simulation around a Skin Friction Probe

Abstract

Työn tarkoitus on yrittää selvittää CFD-simuloinnin avulla APSO-nimisen pintakitkamittarin kokeissa ilmenneitä ristiriitaisuuksia. Neljä valittua tuulitunnelitapausta simuloitiin Reynolds-keskiarvotetuilla Navier-Stokes-yhtälöillä käyttäen Menterin k - omega BSL-turbulenssimallia. Ajasta riippumaton symmetrinen ratkaisu iteroitiin FINFLO-virtausratkaisijalla. Geometriaksi valittiin APSO:sta yksinkertaistettu sylinteri tasolevyn pinnalla. Laskentahilat sisältävät rajakerroksen sekä 0,4 m x 0,4 m alueen tasolevystä pintaesteen ympäriltä. Hiloissa on noin kaksi miljoonaa koppia kummassakin ja pienimmät kopit ovat kooltaan 4 µm x 4 µm x 123 µm. Ennalta lasketut rajakerrosvirtaukset on asetettu ylävirran puolelle sisäänvirtausreunaehdoksi, joka kiinnittää nopeusprofiilin lisäksi turbulenssiasteen ja pyörreviskositeetin. Kaksi ylimääräistä tapausta simuloitiin käyttäen mitattua nopeusprofiilia reunaehtona.

Diplomityön dokumentti alkaa valikoivalla virtausmekaniikan kertauksella, johon on valittu perusvirtaustapauksia ja rajakerrosteoriaa taustaksi simulointituloksia varten. Tämän jälkeen on esitelty valikoima pintakitkan mittaustapoja, minkä jälkeen APSO ja siihen liittyvät tuulitunnelitulokset esitellään. Tämän työn laskennallinen simulointi käydään läpi ja sen tulokset esitellään. Mukana on visualisointia virtauskentästä sekä paine- ja kitkajakaumia. Simuloitujen tapausten kalibrointiyhteydet kitkan ja paineen välille esitetään yhdessä tuulitunnelitulosten kalibrointikäyrien kanssa.

Simuloidut tapaukset edustavat kahta eri rajakerrosta ja kahta eri pintaesteen korkeutta. kahdessa tapauksessa esteen korkeus suhteessa rajakerrokseen on sama. Kun simuloidut paine-erot ja pintakitkat skaalataan kalibrointimuuttujiksi ja piirretään kalibrointikäyriksi, huomataan, että ne asettuvat melko hyvin samalle suoralle logaritmiasteikolla ja mitään merkittävää siirtymää tai ryhmittymistä ei havaita perustuen esteen suhteelliseen korkeuteen. Simulointitulokset asettuvat kahden tuulitunnelisarjan välille, joten ne eivät erityisesti tue kummankaan mittaussarjan oikeellisuutta. Tapauksissa, joissa käytettiin mitattua nopeusprofiilia, tulokset osuvat lähelle vastaavia puhtaasti laskennallisia tapauksia. Kaikki tapaukset edustavat puristumatonta virtausta laajalta kalibrointialueelta.

Kolmiulotteinen tiheän hilan malli erikoisella sisäänvirtausreunaehtojärjestelyllä osoittautui melko raskaaksi geometria- ja virtausparametrien variointiin. Kaksiulotteinen malli olisi suositeltavampi kattavaan parametrianalyysiin.