Abstract: |
Helically symmetric flows are present in many technical devices such as wind turbine,
combustion chamber and marine propeller. The understanding of the nature of this
type of flow can be useful to describe such phenomena like a vortex breakdown. The
aim of this thesis is the analytical investigation of helically symmetric flows in terms
of conservation laws. After finding the conservation laws one is able to use the obtained
theoretical results in order to construct exact solutions of the analyzed system
of equations, furthermore the obtained divergence expressions are useful in numerics.
The introduction of a helical variable ξ = az + bφ, which is a twist of two cylindrical
variables z and φ, allows to consider not only the helically symmetric system of
equations, but also the two important limiting cases: the case of a plane flow and the
case of rotationally symmetric flow. The theoretical procedure to find the conservation
laws is called the direct construction method and is described in Anco, Bluman
& Cheviakov (2010). This method is based on two ideas: application of the Euler
operator and finding multipliers for the given system of equations. A Maple based
package called GeM is used for the calculation of the local conservation laws. In order
to obtain a global conservation law one has to integrate the local conserved quantities.
For this, direct numerical simulations with a code HELIX (Delbende, Rossi
& Daube 2012), which describes the dynamics of helically symmetric flows, were performed.
By the introduction of helical symmetry the three-dimensional Navier-Stokes
equations can be reduced to a two-dimensional problem. This numerical method is a
generalization of the vorticity/stream function formulation in a circular domain, with
finite differences in the radial direction and spectral decomposition along the azimuth.
Compared to a standard three-dimensional code, this allows to reach large Reynolds
numbers in feasible time.
For the analytical part of this work time dependent Euler and Navier-Stokes equations
written in three different formulations are considered: in primitive variables, in
stream function formulation and in vorticity formulation. Various new sets of conservation
laws for both inviscid and viscous flows, including families that involve arbitrary
functions, are derived. In particular, for inviscid flows, a family of conserved
quantities, that generalize helicity, is obtained.
The special case of two-component flows, with zero velocity component in the invariant
direction, is additionally considered, and special conserved quantities that hold
for such flows are computed. In particular, it is shown that the well-known infinite
set of generalized enstrophy conservation laws that holds for plane flows also holds
for the general two-component helically invariant flows and for axisymmetric twocomponent
flows.
For the integration of local conservation laws the time dependent Navier-Stokes and
Euler equations with three velocity components are considered. Using the integration
the global conservation could be investigated. The remaining set of conservation laws
for two-component flows could not be performed numerically due to the fundamental
equations of the code, which include all velocity components.
It should be noted that the analytical part of this dissertation were published in Kelbin,
Cheviakov & Oberlack (2013). |
Alternative Abstract: |
Alternative Abstract | Language |
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Strömungen, welche eine helikale Symmetrie besitzen, treten in vielen technischen
Anwendungen auf, beispielsweise im Nachlauf von Schiffsschrauben oder Windturbinenschaufeln,
oder in Brennkammern. Das fundamentale Verständnis dieser Art
von Strömung kann nützlich sein um Phänomene wie beispielsweise den “vortex
breakdown” zu beschreiben. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die analytische Untersuchung
der Strömungen mit helikaler Symmetrie im Hinblick auf Erhaltungsgleichungen.
Nachdem die Erhaltungsgleichungen konstruiert wurden, kann man diese
verwenden um beispielsweise exakte Lösungen des Ausgangsproblems zu erhalten,
weiterhin sind die gefundenen Divergenzformulierungen nützlich für die numerische
Berechnung.
Die Einführung der helikalen Variable ξ, welche eine Kombination aus zwei zylindrischen
Koordinaten (z und φ) ist, ermöglicht nicht nur helikale Strömungen, sondern
auch ebene und rotationssymmetrische Strömungen zu betrachten. Die Grundlagen
des Verfahrens, welches für die Auffindung der Erhaltungsgleichungen benutzt
wurde, sind in Anco et al. (2010) beschrieben. Diese Methode basiert auf zwei Ideen:
die Anwendung des Euleroperators und das Bestimmen der Multiplikatoren für ein
gegebenes Gleichungssystem. Die Berechnung von lokalen Erhaltungsgrößen wird
mit dem Unterprogramm GeM realisiert, welches in das Softwareprogramm Maple
eingebunden wird. Um aus der lokalen Formulierung der Erhaltungssätze die globalen
Erhaltungsgleichungen zu bekommen, müssen die lokalen Erhaltungsgrößen
integriert werden. Die Integration wurde mittels direkter numerischer Simulation
durchgeführt, mit einem Code HELIX (Delbende et al. 2012), welcher für die Stabilitätsuntersuchungen von Strömungen mit helikaler Symmetrie programmiert wurde.
Durch die Annahme der helikalen Symmetrie können die dreidimensionalen
Navier-Stokes Gleichungen zu einem zweidimensionalen Gleichungssystem reduziert
werden. Die dem Code zugrundeliegende numerische Methode ist eine Verallgemeinerung
der Wirbelstärke-Stromfunktion-Formulierung. In radialer Richtung wird die
Finite-Differenzen-Methode benutzt, in azimutaler Richtung die Spektralzerlegung.
Verglichen mit einem herkömmlichen Computerprogramm für dreidimensionale Probleme
können höhere Reynoldszahlen erreicht werden.
In dem analytischen Teil der vorliegenden Arbeit (Bestimmung der lokalen Erhaltungsgleichungen)
hat man die instationären Euler- beziehungsweise Navier-Stokes
Gleichungen in drei verschiedenen Formulierungen untersucht: in primitiven Variablen,
in Stromfunktionformulierung und in Wirbelsärkeformulierung. Verschiedene
neue Erhaltungsgleichungen, sowohl für reibungsfreie als auch für reibungsbehaftete
Strömungen, konnten hergeleitet werden. Insbesondere für reibungsfreie Strömungen
konnte man eine Familie von Erhaltungsgleichungen herleiten, welche die Helizität
verallgemeinern.
Der Spezialfall von Zweikomponentenströmung, bei der die Geschwindigkeitskomponente
in die invariante Richtung zu Null gesetzt wird, ist ebenfalls betrachtet worden.
Für diesen Fall wurden weitere neue Erhaltungsgleichungen konstruiert. Insbesondere
konnte gezeigt werden, dass die für ebene Strömungen wohlbekannte Erhaltungsgleichungfamilie
der verallgemeinerten Enstrophie auch im Fall der zweidimensionalen
helikalen Strömung ihre Gültigkeit besitzt.
Für die numerische Integration der lokalen Erhaltungsgleichungen wurden nur instationären Euler- und Navier-Stokes Gleichungen mit drei Geschwindigkeitskomponenten
betrachtet. Die globalen Erhaltungseigenschaften konnten somit untersucht
werden. Die übrigen Erhaltungsgrößen (Zweikomponentenströmungen) konnten
nicht betrachtet werden, da die dem Code zugrundeliegenden Gleichungen alle drei
Geschwindigkeitskomponenten benötigen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die analytischen Ergebnisse dieser Arbeit in Kelbin
et al. (2013) veröffentlicht wurden. | German |
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