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An eddy-resolving Reynolds stress model for unsteady flow computations: development and application

Maduta, Robert :
An eddy-resolving Reynolds stress model for unsteady flow computations: development and application.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: An eddy-resolving Reynolds stress model for unsteady flow computations: development and application
Language: English
Abstract:

The present study focuses on a turbulence modeling strategy aiming at advancement of the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) approach. The modeling strategy relies on an anisotropy-resolving near-wall second-moment closure model, which is extended to behave as an eddy-resolving model with respect to capturing spatial and temporal variability of turbulence scales. The model should not comprise any parameter depending explicitly on the grid spacing. It means the objective is to formulate a “true” Unsteady RANS (URANS) model. An additional term in the corresponding length-scale determining equation providing a selective assessment of its production represents a key parameter in this novel URANS approach. This term modeled in terms of the von Karman length scale representing the ratio of the second to the first derivative of the velocity field in line with the scale-adaptivity concept (SAS - scale adaptive simulation) introduced by Menter and Egorov. In addition, the background RANS model has been “numerically stabilized” by reformulating some terms - primarily diffusive transport and gradient production - in conjunction with an appropriately defined wall boundary condition for the dissipation rate of kinetic energy of turbulence. Herewith, the use of high-order numerical schemes, such as 2nd order central differencing scheme, is promoted; this issue is of crucial importance with respect to preventing the possible fallback from mainly resolved turbulent structures to modeled ones. The predictive performances of this instability-sensitive, eddy-resolving model was checked by computing different flow cases including separation from a sharp-edged surface (backward-facing step configurations) and continuous flat and curved surfaces (flow past a tandem cylinder configuration, flow over a 2D Hill and in a 3D Diffuser in a range of geometrical parameters and Reynolds numbers). The results obtained are in closest agreement with available reference data, outperforming significantly the results pertinent to the conventional model of turbulence. Prior to that several globally stable flows, such as natural decay of homogeneous isotropic turbulence and flow in a plane channel have been computed in course of the model calibration. It should be emphasized that in all cases considered the fluctuating velocity field was obtained started from the steady RANS results. Finally, an appropriate modification of the background second-moment closure model in the “Steady RANS” framework is proposed leading to substantially improved turbulence level prediction - and consequently the mean flow field - in the separating flow regions; by simultaneously retaining good results in attached flow regions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung eines neuartigen, instationären Reynolds-gemittelten Navier-Stokes (URANS) Modells, welches als Basis das Skalen-adaptive Konzept (SAS), eingeführt von Menter und Egorov, verwendet. Durch Kombination mit einem Reynolds Spannungs Modell, welches den statistischen Ansatz wiedergibt, ist das neue Modell in der Lage, wie man im Laufe dieser Arbeit sehen wird, turbulente Strukturen in der Strömung aufzulösen ohne in einer Gleichung die explizite Gitterabhängigkeit zu benötigen. Der Schlüsselparameter ist dabei ein zusätzlicher Term in der Dissipationsgleichung, welcher selektiv die Produktion der Dissipation in angemessener Weise erhöht. Er besteht aus dem Verhältnis der zweiten zur ersten Ableitung des Geschwindigkeitsfeldes. Die Stabilisierung des Reynolds Spannungs Modells in numerischer Hinsicht, durch die Umformulierung bestimmter Terme und das Abändern einer Wandrandbedingung, ist unerlässlich um numerische Diskretisierungsschemata hoher Ordnung verwenden zu kön- nen, welche einen Wechsel von hauptsächlich aufgelösten, turbulenten Strukturen zu Modellierten vermeiden. Es werden im Zuge dieser Arbeit verschiedene Anwendungsfälle mit Strömungsablösungen von gekrümmten Oberflächen (Anordnung von zweidimensionalen Hügeln, der dreidimensionale Diffusor sowie eine Tandemzylinderanordnung), von spitzen Kanten (zurückspringende Stufe) sowie auch Solche ohne Ablösungen (ebener Kanal, Zerfall von turbulenten Strukturen ohne äußere Einwirkung) berechnet werden. Des weiteren werden die durchweg positiven Ergebnisse mit Referenzdaten verglichen werden um die quantitative Effizienz des neuartigen Modells offenzulegen. Es gilt an dieser Stele festzuhalten, dass in allen berechneten Fällen das Modell von sich aus in einen Strukturauflösenden Modus gewechselt ist, wobei jede Simulation auf ein stationäres Feld gestartet wurde. In dem letzten Abschnitt befasst sich diese Arbeit mit einer Modifikation des Reynolds Spannungs Modells innerhalb der stationären Simulationsmöglichkeiten. Es wird gezeigt werden, dass mit einer leichten Abänderung des Skalen adaptiven Konzepts verbesserte Ergebnisse bezüglich abgelöster Strömungen erzielt werden können, ohne jedoch die gute Berechenbarkeit von angelegten Strömungen zu beeinflussen. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 23 Jan 2014 13:57
Last Modified: 23 Jan 2014 13:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37392
Referees: Tropea, Prof. Cameron and Jakirlic, Apl. Prof. Suad and Sadiki, Apl. Prof. Amsini
Refereed: 29 May 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3739
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