Immersed boundary method for computational fluid dynamics - A review and verification in OpenFOAM

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKahila, Heikki
dc.contributor.authorVäisänen, Ville
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorVuorinen, Ville
dc.date.accessioned2020-01-26T18:05:43Z
dc.date.available2020-01-26T18:05:43Z
dc.date.issued2020-01-20
dc.description.abstractFluid-structure interaction (FSI) is a common phenomenon encountered in various computational fluid dynamics (CFD) problems. Conventional methods rely on the generation of a so-called body- or boundary-fitted (BF) grid, which conforms to the structure geometry. Typically, these grids consist of either structured or unstructured cells, of which the former are more efficient. Although, generating a good quality structured BF grid might be straightforward for simple geometries, it may become tedious and take even months to do using the best available software when complex geometries are present. Furthermore, the BF grid needs to be updated at each time step when structure motion is present. In the present work, we concentrate on an immersed boundary (IB) approach implemented into the FOAM-Extend CFD library, which is based on the OpenFOAM software platform. In the IB approach, the grid does not conform to the structure, but instead, the position of the structure is tracked separately and the equations--either continuous or discretized depending on the method in question--are modified to account for the boundary. A literature review of different IB methods is conducted and the implementation is validated by running simulations on various flow cases consisting of stationary (channel flow, pipe flow and flow over a cylinder) and moving (flow over an oscillating cylinder) structures. These results are compared to ones retrieved by using a BF grid in OpenFOAM CFD software and those found in literature. In addition, a user guide for the implemented IB method is presented. Initialization of a flow simulation with the IB method is very quick. However, simulations show that this is acquired with the cost of efficiency and accuracy. Simulation with the BF grids was much faster and more accurate than with the IB grids. Furthermore, resolving values at the surface of a moving boundary was difficult for the IB grid. Even though the IB method does show promising results for the cases with stationary structures, the fast initialization is outweighed by the required high grid resolution and slow simulation times. This is further emphasized by problems with parallel computing, rendering the current IB implementation impractical for computationally demanding CFD simulations.en
dc.description.abstractNeste--rakenne-vuorovaikutus on yleinen ilmiö, johon törmätään monissa laskennallisen virtausdynamiikan (CFD) ongelmissa. Tavanomaisessa laskentametodissa luodaan rakenteen muotoja mukaileva (eng. body-fitted -- BF) hila. Tyypillisesti, nämä hilat koostuvat joko rakenteellisista tai rakenteettomista laskentatilavuuksista, joista rakenteelliset ovat tehokkaampia. Rakenteellisen BF-hilan tekeminen yksinkertaisille geometrioille on varsin suoraviivaista, mutta prosessi saattaa muuttua vaativaksi ja kestää jopa kuukausia, kun hilaa rakennettaan monimutkaisille muodoille, vaikka käytettäisiin parhaita olemassa olevia ohjelmistoja. Lisäksi BF-hila joudutaan uudelleengeneroimaan aika-askelten välissä, jos rakenne liikkuu. Tässä diplomityössä keskitytään niin sanottuun \textit{immersed boundary} (IB) -menetelmään, joka on saatavilla OpenFOAM-ohjelmistoon pohjautuvassa FOAM-Extend CFD-kirjastossa. IB-menetelmässä hila ei mukaile rakenteen muotoja, vaan rakenteen vaikutus otetaan huomioon virtausyhtälöissä. Työssä suoritetaan kirjallisuuskatsaus olemassa oleviin IB-menetelmiin sekä validoidaan FOAM-Extendissä oleva IB-sovellus simuloimalla erilaisia virtaustapauksia, jotka koostuvat paikallaan pysyvistä (kanavavirtaus, putkivirtaus ja virtaus sylinterin yli) ja liikkuvista (virtaus oskilloivan sylinterin yli) rakenteista. Tuloksia verrataan OpenFOAM CFD-ohjelmistosta BF-hilalla saatuihin ja kirjallisuudesta löydettyihin tuloksiin. Lisäksi, työssä laaditaan IB-sovelluksen käyttöohjeet. Virtaustapauksen alustus IB-menetelmällä on hyvin nopeaa. Simulaatiot kuitenkin osoittavat, että nopeus on saatu tehokkuuden ja tarkkuuden kustannuksella. BF-hilat olivat huomattavasti nopeampia ja tarkempia simuloinneissa kuin IB-hilat. Lisäksi liikkuvan rakenteen pinnalla olevien arvojen määrittämisessä oli haastetta IB-hilaa käytettäessä. Vaikka IB-metodilla saadaan lupaavia tuloksia simuloidessa paikallaan pysyviä rakenteita, alustuksessa saatu nopeushyöty kumoutuu IB-menetelmän vaatiessa tiheämpää hilaa sekä hitaan simuloinnin vuoksi. Tämä korostuu entisestään rinnakkaislaskennan ongelmien vuoksi, mistä syystä FOAM-Extendin IB-menetelmää ei voi suoranaisesti suositella vaativien ja suuren kokoluokan CFD-ongelmien simuloinnissa.fi
dc.format.extent62 + 2
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/42725
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-202001261835
dc.language.isoenen
dc.programmeMaster's Programme in Mechanical Engineering (MEC)fi
dc.programme.majorMechanical Engineeringfi
dc.programme.mcodefi
dc.subject.keywordcomputational fluid dynamicsen
dc.subject.keywordfluid-structure interactionen
dc.subject.keywordimmersed boundary methoden
dc.subject.keywordOpenFOAMen
dc.titleImmersed boundary method for computational fluid dynamics - A review and verification in OpenFOAMen
dc.titleIB-menetelmä laskennallisessa virtausmekaniikassa - katsaus ja validointi OpenFOAM-ympäristössäfi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
local.aalto.electroniconlyyes
local.aalto.openaccessyes
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Väisänen_Ville_2020.pdf
Size:
4.47 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download
Collections
[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG