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Turbulent flow separation control by boundary-layer forcing

Saric, Sanjin :
Turbulent flow separation control by boundary-layer forcing.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Turbulent flow separation control by boundary-layer forcing
Language: English
Abstract:

have demonstrated that active flow control (AFC) has a potential to enable significant advances in many engineering applications. Though demonstrated experimentally, unsteady separation flow control remains a challenge for Computational Fluid Dynamics (CFD). The main goal of this work was a computational study of the effects of boundary-layer forcing on the mean flow and turbulence using various methods for turbulent flow computations: Large-eddy simulation (LES), Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and Detached-eddy Simulation (DES), aiming also at mutual comparison of their features and performance in complex flow situations. Predictive capability of various CFD methods were evaluated for the three representative complex separated flow configurations without flow control. A potential of the methods for unsteady flow computations: LES, DES and URANS was investigated by predicting the flow and turbulence field for the two experimentally investigated AFC configurations. They involve the two recent experimental works pertinent to AFC: periodically perturbed backward-facing step (BFS) flow at a low Reynolds number (Yoshioka et al., 2001) and high Reynolds number flow over a wall-mounted hump (Greenblatt et al., 2004). In general, both the LES and DES computations have reproduced all important effects observed in the BFS experiments. The imposed perturbation frequency corresponding to St=0.19 was found to be the optimum one, leading to the maximum reduction of the reattachment length. URANS underpredicts substantially the intensity of the reduction, exhibiting a very weak sensitivity to the perturbations. Beside a close agreement with the experiment concerning time-mean behaviour of the flow for all perturbation frequencies, the extracted phase-averaged LES results for the case with the optimum frequency (St=0.19) compare well with the reference experimental data. The LES and DES predictions of the main characteristics of separated flow over a wall-mounted hump, obtained on relatively coarse grids with respect to the flow Reynolds number considered (Re_c=9.36x10^5), are encouraging, outperforming significantly the examined RANS models. The numerous simulations of the flow configurations pertinent to active flow control (AFC) have been carried out providing a picture of the current status of CFD in AFC applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
experimentellen Studien veranschaulichen deutlich das große Potential der aktiven Strömungskontrolle (Active Flow Control - AFC) und deren wichtigen Vorteile im Hinblick auf die Gewinnung von optimalen Strömüngseigenschaften in puncto der Verminderung der Druckverluste in unterschiedlichen industriellen Anwendungen. Trotz der experimentellen Evidenz stellt die korrekte Ermittlung der Kontrollmechanismen der instationären Strömungsablösung noch immer eine große Herausforderung für die Methoden der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) dar. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist die numerische Untersuchung der Effekte der Grenzschichtbeeinflussung auf die mittlere Strömung und Turbulenzstruktur. Dabei wurden mehrere Berechnungsmethoden für die Simulation turbulenter Strömungen, wie Grobstruktursimulation (Large-eddy Simulation - LES), nach Reynolds gemittelte Navier-Stokes-sche Methode (Reynolds-averaged Navier-Stokes - RANS) und die bekannteste hybride LES-RANS Methode, die sog. Detached-eddy Simulation - DES, eingesetzt. Eine der Zielsetzungen war auch die kritische Analyse dieser Methoden hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit in solchen komplexen Strömungssituationen. Drei unterschiedliche, durch die intensive Ablösung geprägte und mit stärker werdender Komplexität der Wandgeometrie bezeichnete Strömungskonfigurationen wurden herangezogen: die Strömung über eine zurückspringende Stufe (Experiment von Yoshioka et al., 2001) bei einer niedrigen Reynoldszahl (Re_H=3,700), die Strömung über eine Serie von symmetrischen, im regelmäßigen Abstand angeordneten Hügeln bei einer moderaten Reynoldszahl, Re_H=10,595 (LES von Fröhlich et al., 2005) und die Strömung über einen nicht-symmetrischen Hügel bei einer sehr hohen Reynoldszahl von Re_c=936,000 (Exp. Greenblatt et al., 2004). Die beiden experimentell untersuchten Strömungen wurden zusätzlich durch unterschiedliche Kontrollmechanismen - stationäre Einsaugung sowie durch abwechselnde Einsaugung/Ausblasung hervorgerufene Oszillationen der separierenden Scherschicht - angeregt. Im Fall der Stufenströmung wurden mehrere, in Form der Strouhal-Zahl ausgedrückte Frequenzen der in die Stufengrenzschicht periodisch eingeführten Störung betrachtet. Die zur maximalen Verkürzung des Eckenwirbels führende Frequenz entsprach der Strouhal-Zahl von 0.19. Wie erwartet, zeigten die im Rahmen der RANS-Methode eingesetzten statistischen Turbulenzmodelle eine schwache Empfindlichkeit gegenüber der Instationarität der Strömung und verfehlten deutlich die experimentell ermittelten Ergebnisse. Im Gegensatz dazu gaben die LES und DES Berechnungen alle wichtigen Effekte der Beeinflussung der abzulösenden Scherschicht wieder. Neben einer sehr guten Übereinstimmung der numerischen und experimentellen Ergebnisse im Hinblick auf die zeitlich gemittelten Strömungsfelder, zeigen Vergleiche der phasen-gemittelten Daten ebenso ein hohes Maß an Übereinstimmung. Die Ergebnisse der LES und DES Berechnungen der Strömung über einen in die Grenzschicht ohne aüßeren Druckgradienten positionierten, nicht-symmetrischen Hügel resultierten in einem hohen Übereinstimungsgrad mit experimentellen Ergebnissen, trotz eines relativ groben Gitters (4 Mio. Gitterzellen) in Hinblick auf die behandelte Reynoldszahl (ca. 1 Mio.). Dies gilt sowohl für die zeitlich- als auch die phasen-gemittelten Ergebnisse. Ähnlich wie bei der Stufenströmung schnitten RANS-Modelle in keiner zufriedenstellenden Übereinstimmung mit Messungen ab. Dies ist vor allem auf die Unfähigkeit der RANS-Methode zurückzuführen, die durch die hoch-frequenten Wirbelstrukturen hervorgerufene Instationarität der separierenden Scherschicht und deren Wechselwirkung mit der Hauptströmung korrekt aufzulösen. Diese umfangreiche Studie bietet einen detaillierten Einblick in den Stand der numerischen Aktivitäten im Bereich der aktiven Kontrolle der Strömungsablösung.German
Uncontrolled Keywords: aktive Strömungskontrolle
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
aktive StrömungskontrolleGerman
active flow controlEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 000 Allgemeines, Wissenschaft
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000873
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8739
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Thiele, Prof. Dr-I Frank
Advisors: Tropea, Prof. Dr.- Cameron and Jakirlic, Priv-Doz. Suad
Refereed: 20 December 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/873
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