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Computational characterization of flow and turbulence in IC engine-relevant cooling channels: An LES- and Reynolds-stress-modeling study

Wegt, Sebastian (2022):
Computational characterization of flow and turbulence in IC engine-relevant cooling channels: An LES- and Reynolds-stress-modeling study. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020353,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Computational characterization of flow and turbulence in IC engine-relevant cooling channels: An LES- and Reynolds-stress-modeling study
Language: English
Abstract:

The present work provides an insight into the flow topology of common pipe structures with the newly designed Water Spider Geometry (WSG) as a generic flow guidance of an Internal Combustion (IC) engine cooling channel, which includes flow deflection (90°-pipe bend), division (T-junction) and confluence (reverse T-junction). Therefore, a cost-efficient Large-Eddy Simulation (LES) framework for pipe structures is elaborated, which satisfies the well-known quality criteria defined in literature. The associated flow discussions enable an application-oriented assessment of the pipe structures with the focus on critical wall-abrasive flow conditions. Positions of pronounced surface degradation within the WSG detected by complementary conducted experiments (see Klink et al., 2019, and Klink and Wegt, 2021) could be attributed to the flow topology and appropriate countermeasures postulated. As a special feature, the vortex identification methodology according to Graftieaux et al. (2001) is applied to the flow discussions, which enables the identification of characteristic vortex topologies and their formation mechanisms. For further investigations within the WSG framework, an homogeneous-dissipation-concept-based elliptic-blending-related Reynolds-stress model (EBM) is formulated, calibrated and validated with a multitude of well-known benchmark cases. The formulation is based on the suggestions of Manceau and Hanjalic (2002) and Jakirlic and Maduta (2015) and combines the advantageous elliptic blending procedure for the pressure redistribution with the homogeneous specific dissipation rate concept. Furthermore, the phenomenon 'backbending' could be reliably avoided within the considered benchmark cases by a reformulation of the Simple Gradient Diffusion Hypothesis (SGDH). The extensive validation study including the WSG demonstrates the capability of the EBM to reproduce a variety of flow phenomena and confirms its suitability for further investigations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die vorliegende Arbeit gewährt Einblicke in die Strömungstopologie gängiger Rohrstrukturen basierenden auf der neu entwickelten Wasser Spinnen Geometrie (WSG). Diese repräsentiert eine generische Kühlkanalgeometrie eines Verbrennungsmotors und beinhaltet Strömungsumlenkung (90°-Rohrkrümmer), Strömungsteilung (T-Abzweigung) und Strömungszusammenfluss (umgekehrte T-Abzweigung). Die Basis bilden ressourcenschonende Grobstruktursimulationen (LES) innerhalb der Rohrstrukturen, die die in der Literatur anerkannten LES-Qualitätskriterien erfüllen. Die Strömungsdiskussion ermöglicht eine anwendungsorientierte Bewertung der Strömungstopologie mit Blick auf kritische wandabtragende Strömungszustände. Positionen ausgeprägter Oberflächendegradation der WSG, die in komplementär durchgeführten Experimenten detektiert wurden (siehe Klink et al., 2019, und Klink und Wegt, 2021), sind der Strömungstopologie zugeordnet und entsprechende Gegenmaßnahmen postuliert worden. Als Besonderheit ist die Wirbelidentifikationsmethodik nach Graftieaux et al. (2001) in die Strömungsdiskussion integriert, was die Identifizierung von charakteristischen Wirbelformationen sowie deren Entstehungsmechanismen ermöglicht.

Für weiterführende Untersuchungen innerhalb der WSG ist ein homogenes-Dissipations-Konzeot-basiertes, "elliptic-blending" relevantes Reynoldsspannungsmodell (EBM) formuliert, kalibriert und mit einer Vielzahl von bekannten Testfällen validiert worden. Die Formulierung orientiert sich an den Vorschlägen von Manceau und Hanjalic (2002) sowie Jakirlic und Maduta (2015) und kombiniert die vorteilhafte elliptische Prozedur für die Druckumverteilung mit dem homogenen spezifischen Dissipationsratenkonzept. Des Weiteren ist das Phänomen 'Backbending' in den betrachteten Testfällen durch eine Umformulierung der einfachen Gradientendiffusionshypothese (SGDH) zuverlässig vermieden worden. Die umfangreiche Validierungsstudie unter Einbeziehung der WSG demonstriert die Fähigkeit des EBM, eine Vielzahl von Strömungsphänomenen zu erfassen und bestätigt seine Eignung für weiterführenden Untersuchungen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 336 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Modelling and simulation of turbulent flows
Date Deposited: 09 Feb 2022 15:02
Last Modified: 09 Feb 2022 15:02
DOI: 10.26083/tuprints-00020353
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203537
Referees: Jakirlic, apl. Prof. Suad ; Hussong, Prof. Dr. Jeanette ; Breuer, Prof. Dr. Michael
Date of oral examination: 15 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20353
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