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Direct Numerical Simulation, Lie Group Analysis and Modeling of a Turbulent Channel Flow with Wall-normal Rotation

Mehdizadeh, Amirfarhang :
Direct Numerical Simulation, Lie Group Analysis and Modeling of a Turbulent Channel Flow with Wall-normal Rotation.
Strömungsdynamik
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Direct Numerical Simulation, Lie Group Analysis and Modeling of a Turbulent Channel Flow with Wall-normal Rotation
Language: English
Abstract:

In this thesis laminar and turbulent channel flows with wall-normal rotation have been investigated by means of numerical and analytical approaches. Contrary to the streamwise and the spanwise rotating channel flow, channel flows with wall-normal rotation has been rarely studied. Since there is no possible experimental approach to the investigation of this flow, they can be studied only numerically and analytically. However, an analytical approach is only possible in the laminar case. In order to establish the effects of the wall-normal rotation on the turbulent channel flow and also to provide reference data for the turbulence case, direct numerical simulations at Re =180, 360 based on the friction velocity in the non-rotating case for various rotation rates (from very small to relatively high) have been performed. It has been found that the both flow states are very sensitive to the wall-normal rotation and are highly affected even with a very small rotation rate. In the turbulent case due to the induction of the spanwise velocity the flow is three-dimensional and as a result all of the Reynolds stress tensor components are non-zero. By increase in the rotation rate relamonarization effects have been observed and finally at very high rotation rates the flow reaches a fully laminar steady state. Further, the Lie symmetry approach has been applied to the Reynolds averaged Navier-Stokes equations describing a turbulent wall-normal rotating channel flow at very high Reynolds numbers to study the ability of this method to predicting the flow. Based on the results, one can conclude that Lie symmetry approach can not deal with the system of differential equations with unclosed terms. Finally the DNS results have been used to investigate the capability of relatively simple turbulence models to predict the flow. In other words we have used the DNS data to validate the simple RANS turbulence models. For weak rotation rates the convincing results indicate that in contrast to the streamwise and the spanwise rotating channel flows, the present flow could be predicted by this simple turbulence model. However, predicting of the flow at higher rotation numbers requires obviously advanced RANS models including relaminarization effects

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurden laminare und turbulente Kanalströmungen mit wand-normaler Rotation mittels numerischer und analytischer Ansätze untersucht. Im Gegensatz zu der um die Hauptsrömungsrichtung und Spannweitenrichtung rotierende Kanalströmung, ist die Kanalströmung mit wand-normaler Rotation nur selten untersucht worden. Es gibt keine Möglichkeit diese Strömungen experimentell zu studieren. Aus diesem Grund können diese nur numerisch oder analytisch untersucht werden. Allerdings ist ein analytischer Ansatz nur im laminaren Fall möglich. Um die Effekte der wand-normalen Rotation auf die turbulente Strömung zu erforschen und auch Referenzdaten für den turbulenten Fall bereit zu stellen, wurden Direkte Numerische Simulationen bei Re =180, 360 mit unterschiedlichen Rotationszahlen durchgeführt, wobei Re die Reynoldszahl basierend auf Reibungsgeschwindigkeit in nichtrotierender Kanalströmung ist. Es wurde gezeigt, dass sowohl laminare als auch turbulente Kanalströmungen sehr empfindlich auf wand-normale Rotation reagieren. Für den turbulenten Fall ist die Strömung aufgrund der Induktion der Geschwindigkeit in die Spannweitenrichtung dreidimensional. Deshalb sind alle Komponenten des Reynoldsspannungstensors ungleich null. Durch Erhöhung der Rotationszahl tauchen Relaminarisierungssymptome auf und schliesslich erreicht die Strömung bei sehr grossen Rotationszahlen einen laminaren stationären Zustand. Ferner wurde der Lie-Symmetrie-Ansatz auf die RANS-Gleichungen, die die Kanalströmung mit wand-normaler Rotation bei sehr hohen Reynoldszahlen beschreiben, angewendet. Basierend auf den Ergebnissen kann man schliessen, dass der Ansatz mit dem System von Differentialgleichungen mit ungeschlossenen Termen nicht gut umgehen kann. Schliesslich wurde die die DNS-Daten ausgenutzt, um die Fähigkeit von einfachen Turbulenzmodellen zur Vorhersage wand-normaler, rotierender Kanalströmungen zu untersuchen. Mit anderen Worten wurden die einfachen Turbulenzmodellen mittel der DNS-Daten validiert. Die überzeugenden Ergebnisse zeigen, dass relativ einfache Turbulenzmodelle in der Lage sind, die Kanalströmung mit wand-normaler Rotation vorherzusagen.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Strömungsdynamik
Date Deposited: 25 Mar 2010 09:28
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20925
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Oberlack, Prof. Dr.- Martin and Sadiki, Prof. Dr. Amsini
Refereed: 10 February 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2092
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