Evaluation of commercial computational fluid dynamics codes in aerodynamic analysis of transonic flows over wings and airfoils

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-12-14
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
96+24
Series
Abstract
Computational Fluid Dynamics (CFD) is an ever-growing field of study as computational resources become higher and ever so accessible for average users. Due to the increasing costs in energy consumption, traditional methods, such as wind tunnel testing, become less attractive in aerodynamic analysis. Over the past few decades, many commercially available CFD codes have been evolved. The two most commonly utilized commercial software, providing such codes, are Simcenter STAR-CCM+ by Siemens Industry Software Inc. and Ansys Fluent by Ansys Inc. This thesis evaluates the applicability of STAR-CCM+ and Ansys Fluent in transonic aerodynamic analysis based on two different criteria: accuracy and efficiency. The accuracy is measured using four different aerodynamic coefficients: lift, drag, pressure and skin friction coefficients. The results are compared to those obtained by wind tunnel testing and previously verified and alidated CFD code FINFLO. The efficiency is evaluated measuring CPU time and the amount of memory in use both in single- and multi-core calculations. The results indicate that both STAR-CCM+ and Ansys Fluent are capable of producing accurate results with decent efficiency. In addition, the possibility to run overset mesh simulations was examined. The solvers were concluded to perform well also in this aspect, which indicates that the solvers are capable of calculating more complex geometries in further studies and testing.

Alati yhä energiatehokkaammaksi muuttuva yhteiskunta etsii jatkuvasti uusia ja aiempaa kustannustehokkaampia ratkaisuja erilaisten ongelmien tutkimiseen ja ratkaisemiseen. Perinteiset aerodynaamisessa analyysissä käytetyt metodit, kuten tuulitunnelitestaus, tulevat yhä kalliimmiksi samaan aikaan, kun laskennallisen virtausmekaniikan tarjoamat mahdollisuudet kasvavat laskentaresurssien ja monien kaupallisten CFD-koodien kehitysten myötä. Kaksi käytetyintä tällaista koodia ovat STAR-CCM+, jonka on kehittänyt Siemens Industry Software Inc., ja Ansys Fluent, jonka on kehittänyt Ansys Inc. Tässä työssä STAR-CCM+:n ja Ansys Fluent:n soveltuvuutta transooniseen aerodynaamiseen analyysiin arvioidaan kahden arviointikriteerin kautta, jotka ovat tarkkuus ja tehokkuus. Tarkkuus arvioidaan neljän aerodynaamisen kertoimen avulla, jotka ovat nostovoima-, vastus-, paine- ja pintakitkakerroin. Kertoimille saatuja tuloksia verrataan aiemmin verifioidun ja validoidun CFD-koodin FINFLO:n antamiin sekä tuulitunnelitestauksen kautta saatuihin tuloksiin. Tehokkuus mitataan CPU-ajan ja käytössä olevan muistin määrän perusteella sekä yksi- että moniydinlaskennassa. Tulokset osoittavat, että sekä STAR-CCM+ että Ansys Fluent pystyvät tuottamaan tarkkoja tuloksia hyvällä suorituskyvyllä. Tämän lisäksi työssä tutkittiin päällekkäisten hilojen laskennan mahdollisuutta, jossa molemmat ratkaisijat antoivat lupaavia tuloksia yhä monitahoisempia geometrioita hyödyntäviä jatkotutkimuksia ajatellen.
Description
Supervisor
Ruponen, Pekka
Thesis advisor
Siikonen, Timo
Mikkola, Tommi
Keywords
CFD, STAR-CCM+, Ansys Fluent, aerodynamics, transonic flow, verification and validation
Other note
Citation