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Turbulent Round Jet Flows: Direct Numerical Simulations and a Symmetry Analysis

Nguyen, Cat Tuong (2024)
Turbulent Round Jet Flows: Direct Numerical Simulations and a Symmetry Analysis.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027862
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Turbulent Round Jet Flows: Direct Numerical Simulations and a Symmetry Analysis
Language: English
Referees: Oberlack, Prof. Dr. Martin ; Schäfer, Prof. Dr. Michael
Date: 9 August 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxvii, 122 Seiten
Date of oral examination: 24 July 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027862
Abstract:

A spatially evolving turbulent round jet flow is studied using Lie symmetry analysis and validated against data from direct numerical simulations (DNS) of the Navier-Stokes equations (NSEs). The, in the literature, unprecedented simulations were performed at two Reynolds numbers of Re=3500 and Re=7000 based on the orifice diameter D and the bulk velocity at the orifice Ub with a passive scalar Θ at a Prandtl number of Pr=0.71 in a long numerical box of z/D=75. To achieve self-similarity in the round jet DNS, turbulent pipe flows at the corresponding Reynolds numbers and a length of z/D=5 were used as upstream inflow boundary conditions. A fast convergence of self-similarity was achieved by this approach. High quality statistics were generated, e.g., by ensemble averaging over 200 washouts of a particle for the simulation at Re=3500. Analysis of mean velocities, Reynolds stresses, and turbulent kinetic energy budgets revealed nearly perfect classical scaling based on a similarity coordinate η=r/z with the radius r. In addition, statistical analysis of probability density functions (PDFs) for the axial velocity Uz showed Gaussian behavior along the jet axis, with a transition to heavier tails and skewness away from the axis. Using the new DNS data of the high-velocity moments, the statistical behavior of the turbulent round jet is further analyzed by applying Lie symmetry analysis for pure hydrodynamics. The turbulent velocity scaling laws derived by Lie symmetry analysis reveal a possible variation of the turbulent decay behavior due to the statistical symmetry. Interestingly, the statistical symmetry is found only in the multi-point moment equations and not in the NSEs. This variation is possible for all moment orders n except for the second order moment. However, the present simulations break this symmetry, leading to a classical scaling behavior characterized by η and a scaling of the velocity moments with z⁻ⁿ, which has been validated up to moment order 10. The prefactors of the scaling laws are exponential in n. Notably, Gaussian behavior is observed in the Uz-moments, although the Gaussian exponent shows non-linear behavior in n, which implies significant intermittency in the mean axial velocity moments. The statistical symmetry, which gives a measure of intermittency, does not play a role in the base scaling laws, but is the basis for high-moment scaling for η in turbulent jet flows. Additionally, moments and PDF statistics of Θ are analyzed with the two simulations. Furthermore, Lie symmetries applied to multi-point velocity-scalar correlation equations lead to a generalization of the passive scalar and velocity scaling laws, where the scaling prefactors are exponential for varying velocity and scalar moment order n and m, respectively. Further, inflow variation is controlled solely by the velocity inlet. Gaussian distribution of instantaneous Θ-moments and mixed Uz-Θ-moments with η is observed. Similar to the Uz-moments, non-linear coefficients in the Gaussian exponent are traced back to intermittency. Unlike the velocity PDF statistics, scalar PDF statistics deviate from the Gaussian distribution on the jet axis, but also become skewed and heavy-tailed with increasing η.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Räumlich sich entwickelnde turbulente runde Freistrahlströmungen werden mit der Lie-Symmetrieanalyse untersucht und mit Daten aus direkten numerischen Simulationen (DNSs) der Navier-Stokes-Gleichungen (NSEs) validiert. Die in der Literatur bisher größten Simulationen wurden bei Reynoldszahlen von Re=3500 und Re=7000 basierend auf dem Düsendurchmesser D und der mittleren Geschwindigkeit durch die Düse Ub mit einem passiven Skalar Θ bei einer Prandtzahl von Pr=0.71 in einer langen numerischen Box von z/D=75 durchgeführt. Um Selbstähnlichkeit in der DNS der Strahlströmung zu erreichen, wurden Geschwindigkeitsprofile turbulenter Rohrströmungen mit einer Länge von z/D=5 bei den entsprechenden Reynoldszahlen als Einströmbedingung verwendet. Statistiken von hoher Qualität wurden generiert, indem, im Falle der Simulation bei Re=3500, der Ensemblemittelwert über 200 Durchläufe eines Partikels aus der Box gebildet wurde. Analysen der mittleren Geschwindigkeit, der Reynoldsspannungen und der turbulenten kinetischen Energiebudgets zeigen eine nahezu perfekte klassische Skalierung für die Ähnlichkeitsvariable η=r/z basierend auf dem Radius r im Bereich z/D=25-65. Darüber hinaus zeigt die Analyse der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDFs) der axialen Geschwindigkeit Uz auf der Mittelachse der Strahlströmung ein Gaußsches Verhalten. Mit zunehmendem Abstand von der Mittelachse werden die PDFs für seltene Ereignisse stark nicht-gaussisch und schief. Weiterhin wurden die neuen DNS-Daten verwendet, um die Geschwindigkeitsmomente höherer Ordnung mit Hilfe der Lie-Symmetrieanalyse zu untersuchen. Die aus der Symmetrieanalyse abgeleiteten Skalengesetze der turbulenten Geschwindigkeit weisen auf eine mögliche Variation des turbulenten Abklingverhaltens hin. Dies wird durch eine statistische Symmetrie ermöglicht, die nicht in den NSEs, sondern in den Multipunktmomentengleichungen zu finden ist. Bis auf das zweite Geschwindigkeitsmoment ist die Variation für alle Momentenordnungen möglich. Die Simulationsdaten bis zur zehnten Momentenordnung brechen jedoch diese Symmetrie und die Validierung zeigt, dass sich das klassische Skalierverhalten mit η und eine Skalierung von den Geschwindigkeitsmomenten mit z⁻ⁿ ergibt. Die Vorfaktoren der Geschwindigkeitsmomente sind in n exponentiell. Auffällig ist, dass in den Momenten Uz eine Gauß-Verteilung beobachtet werden kann und der Gauß-Exponent ein nichtlineares Verhalten in n zeigt, was eine Intermittenz in mittleren axialen Geschwindigkeitsmomenten impliziert. Die statistische Symmetrie, die ein Maß für die Intermittenz ist, hat keinen Einfluss auf die grundlegenden Skalengesetze. Sie ist jedoch wesentlich für die Skalierung der hohen Momente in turbulenten Strahlströmungen in η. Lie-Symmetrien angewendet auf die Multipunktgleichung führen zu einer Verallgemeinerung der Θ- und Geschwindigkeitsmomente und zeigt, dass die Variation des turbulenten Abklingverhaltens nur vom Geschwindigkeitseinlass abhängt. Gaußsches Verhalten ist sowohl für Θ als auch für die gemischten Uz-Θ-Momente zu erkennen. Auch hier sind die Gauss-Exponenten nichtlinear und können auf Intermittenzen zurückgeführt werden. Im Gegensatz zu Uz-PDFs sind die Θ-PDFs auf der Mittelachse leicht nicht-gaussisch, werden aber mit zunehmendem η auch für seltene Ereignisse stark nicht-gaussisch und schief.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-278622
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy) > Numerische Strömungssimulation
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Dynamics (fdy) > Turbulenz- und Verbrennungsforschung
Date Deposited: 09 Aug 2024 12:13
Last Modified: 12 Aug 2024 06:16
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27862
PPN: 520571061
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