TU Darmstadt / ULB / TUprints

Investigation of Hybrid Turbulence Modeling Techniques in the Context of Aeroacoustic Simulation

Huang, Xin :
Investigation of Hybrid Turbulence Modeling Techniques in the Context of Aeroacoustic Simulation.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Xin_Huang_final.pdf - Published Version
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (44MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigation of Hybrid Turbulence Modeling Techniques in the Context of Aeroacoustic Simulation
Language: English
Abstract:

Aerodynamic noise is produced in air through internal interaction because of turbulent flows or external interaction with solid structures. The increase of traffic volume and its emissions of the aerodynamic noise makes this noise a non-negligible factor detrimen- tal to the human’s health. Consequently, the research regarding the reduction of it has gained significant importance. The computational aero-acoustics (CAA) investigates the aeroacoustic phenomena using computational techniques. In comparison to experimentation, simulation-based methods are in general less expensive and can achieve much more detailed information. As the computing power increases, it can be foreseen that CAA will play a more important role in the future. However, there are still many challenges remaining in this field. A reliable solution of the broad band aeroacoustic problems re- quires accurate solution of the underlying flow problems, which cannot be achieved by the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) models. The direct numerical simulation (DNS) method and the large eddy simulation (LES) models are not applicable for engineering problems in a foreseeable future due to their high computational costs. The application of hybrid LES/RANS models combine the advantages of both LES and RANS models and have shown very promising results. The objective of this work is to enhance the understanding of the application of hybrid LES/RANS turbulence modeling strategies in aeroacoustic simulations. For this purpose, a new hybrid LES/RANS turbulence model, the limited numerical scales (LNS) model, is first implemented and then validated. The latency factors determining which part uses RANS and which uses LES models are derived. The ζ − f based LNS model yields quite satisfactory results, owing to the introduction of some scales of anisotropy in the turbulence modeling. Thus, the ζ − f based LNS model is applied in the subsequent aeroacoustic simulations. In addition, a new coupling strategy between the flow solver and the acoustic solver is implemented, which enables the application of different computational domains and different space discretizations for the flow and the sound. By doing so, the computational cost for the acoustic simulation is substantially reduced compared with the existing coupling strategy. The LES model resolves the large eddies and implicitly accounts for the small scale structures, indicating that a part of the high frequency noise cannot be reproduced by the LES model. The hybrid LES/RANS model uses RANS models in certain regions to reduce the computational cost. It can be expected that the range of scales obtained from the hybrid turbulence models is further narrowed. In order to predict the noise from the unresolved scales, a synthetic method which is able to reconstruct the unresolved scales artificially is implemented. The verification based on a benchmark channel flow shows that the synthetic method implemented here is able to generate small scale fluctuations and improve the spectral results significantly. With the help of a cylinder test case, it is shown, that the hybrid LNS model delivers more accurate sound spectra than the RANS model. The LNS model reproduces the sound spectrum accurately with only minor mismatches in the region around the fundamental frequency. The use of RANS mode in the shear layer as well as in the wake region leads to the under-prediction of the von Kármán vortex, which in turn results in this mismatch in the spectrum. A test case with the NACA 0012 airfoil is used to compare the LNS model and an existing hybrid turbulence model, the very large eddy simulation (VLES) model. The VLES model provides more detailed information in terms of acoustic sources. On the other hand, the LNS model behaves better at predicting the flow separation. Overall, the ζ − f based LNS model is capable of providing accurate aeroacoustic results at moderate computational cost.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Aerodynamischer Lärm entsteht in der Luft durch innere Wechselwirkung von turbulenten Strömungen oder externen Wechselwirkungen mit festen Strukturen. Die Zunahme des Verkehrsaufkommens macht den aerodynamischen Lärm zu einem nicht zu vernachlässigenden Faktor, der die Gesundheit des Menschen beeinträchtigt. Folglich hat die Forschung, die sich mit der Reduzierung des aerodynamischen Lärms beschäftigt, in den letzten Jahren mehr Aufmerksamkeit erhalten. Computational Aero-Acoustics (CAA) untersucht die aeroakustischen Phänomene mit Hilfe von computergestützten Simulationen. Im Vergleich zu Experimenten sind die simulationsbasierten Methoden im Allgemeinen günstiger und können mehr Informationen liefern. Da die Computerleistung zunimmt, wird die CAA in Zukunft noch an Bedeutung gewinnen. Es gibt jedoch in diesem Bereich noch viele Herausforderungen. Eine zuverlässige Lösung der aeroakustischen Probleme erfordert eine genaue Lösung der zugrundeliegenden Strömungsprobleme, die nicht durch Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) Modelle erreicht werden kann. Die Direkte Numerische Simulation (DNS) und die Large Eddy Simulation (LES) sind in absehbarer Zukunft nicht für technische Probleme geeignet, da der Rechenaufwand zu groß ist. Hybride LES/RANS-Modelle kombinieren die Vorteile von LES- und RANS-Modellen und haben sehr vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis der Anwendung von hybriden LES/RANS-Turbulenzmodellen in aeroakustischen Simulationen zu verbessern. Zu diesem Zweck wird zunächst ein neues hybrides LES/RANS-Turbulenzmodell, das Limited Numerical Scales (LNS) Modell, implementiert. Die Latenzfaktoren, die bestimmen, in welchem Bereich ein RANS-Modell bzw. ein LES-Modell verwendet wird, werden zuerst abgeleitet. Das ζ − f -basierte LNS-Modell liefert die besten Ergebnisse, da die Anisotropie in der Turbulenzmodellierung berücksichtigt wird. Daher wird das ζ − f -basierte LNS-Modell in den nachfolgenden aeroakustischen Simulationen angewendet. Darüber hinaus wird eine neue Kopplungsstrategie zwischen dem Strömungslöser und dem akustischen Löser implementiert, die die Anwendung von unterschiedlich großen Rechenbereichen und unterschiedlichen Raumdiskretisierungen für die Strömung und den Schall ermöglicht. Auf diese Weise wird der Rechenaufwand für die akustische Simulation im Vergleich zur bestehenden Kopplungsstrategie wesentlich reduziert. Das LES-Modell löst die großen Wirbel auf und berücksichtigt implizit die kleinskaligen Strukturen, was darauf hinweist, dass ein Teil des hochfrequenten Geräusches nicht reproduziert werden kann. Das hybride LES/RANS-Modell verwendet RANS-Modelle in bestimmten Regionen, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Es ist daher zu erwarten, dass der Skalenbereich der hybriden Turbulenzmodelle weiter eingeengt wird. Um das Geräusch, das von den nicht aufgelösten Skalen erzeugt wird, vorherzusagen, wird eine synthetische Methode implementiert, die die nicht aufgelösten Skalen rekonstruieren kann. Die Verifizierung zeigt, dass die hier implementierte synthetische Methode in der Lage ist, kleine Schwankungen zu erzeugen und die spektralen Ergebnisse signifikant zu verbessern. Mit Hilfe eines Zylinder-Testfalls wird gezeigt, dass das hybride LNS-Modell genauere Schallspektren liefert als das RANS-Modell. Die Anwendung des RANS-Modus im LNS-Modell in der Scherschicht und im Nachstrombereich führt zu einer Unterschätzung der Kármánschen Wirbelstraße, was wiederum zu einer geringen Fehlanpassung des Spektrums um die Grundfrequenz führt. Ein Testfall mit dem NACA 0012-Profil wird verwendet, um das LNS-Modell und ein bestehendes Very Large Eddy Simulation (VLES) Modell zu vergleichen. Das VLES-Modell bietet detailliertere Informationen in Bezug auf akustische Quellen. Auf der anderen Seite verhält sich das LNS-Modell besser bei der Vorhersage der Strömungsablösung. Insgesamt ist das ζ − f -basierte LNS-Modell in der Lage, genaue aeroakustische Ergebnisse mit mäßigem Rechenaufwand zu liefern.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB)
Date Deposited: 26 Feb 2019 12:16
Last Modified: 26 Feb 2019 12:16
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-84164
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Michael and Janicka, Prof. Dr. Johannes
Refereed: 6 November 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8416
Export:
Actions (login required)
View Item View Item