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Autor:	Yun, Alexander
Titel:	Development and Analysis of Advanced Explicit Algebraic Turbulence and Scalar Flux Models for Complex Engineering Configurations
Dissertation:	TU Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau, 2005

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Abstract auf Deutsch:

Trotz der heutigen Forschritte im Bereich der Grobstruktursimulation (auf englisch LES) zeigt die Erfahrung, dass die Strömungsberechnung mit statistischen Modellen noch längere Zeit die einzig praktikable Möglichkeit darstellen wird, systematisch numerische Untersuchungen für komplexe, anwendungsnahe Strömungsprobleme durchzuführen. Daher ist es notwendig, wenn nicht zwingend, diese Modelle gezielt zu entwickeln, zu analysieren bzw. zu optimieren. Der vorliegende Beitrag widmet sich der Entwicklung, Analyse und Anwendung von leistungsfähigen RANS-basierten Gesamtmodellen, von denen zuverlässige Vorhersageeigeschaften für nicht-gleichgewichtige, turbulente Strömungen mit Wärme- und Skalartransport erwartet werden. Die Teilmodelle basieren auf expliziter algebraischer Reynolds-Spannungs- (EARSM) und Skalarflüss (EASFM) Modellierung. Die Analyse erlaubt zunächst einen vertieften Einblick in isolierte physikalische Mechanismen und dann in komplex gekoppelte Effekte der Geometrie, der Verdrallung und deren Intensität sowie der Instationarität von turbulenten Strömungs-und Skalartransportprozessen. Der erste Aspekt der Analyse befaßt sich systematisch mit der Vorhersage akademischer Strömungszustände, um unterschiedliche Teilmodelle mit experimentellen Daten zu vergleichen bzw. zu validieren. Hierzu zählen unter anderem die Berechnung von Strömungen mit Separation, die Simulation von Sekundärströmungsphänomenen und die Wandturbulenz, sowie die Untersuchung von Strömungsdrall bzw. die Vorhersage von Strömungen in rotierenden Systemen. Der Entwicklungsteil dieser Arbeit erörtert Optimierungsstrategien und befasst sich mit der Erweiterung expliziter algebraischer Spannungsmodelle für die Wandturbulenz, starke Stromlinienkrümmungs- und Nicht-Gleichgewichtseffekte (Anisotropie der Dissipation, nicht-lineare Drück-Scherkorrelation usw.). Ein weiterer Teil der Darstellung und Beurteilung von Ergebnissen erfolgt unter Verwendung der thermodynamischen Konsistenz-Methode. Der zweite Aspekt der Analyse beinhaltet die abschließende Verifizierung der Leistungsfähigkeit verschiedener Modellkombinationen und die Anwendung auf drei komplexe, praxisbezogene Konfigurationen: (a) unterschiedlich verdrallte Strömungen mit passivem Skalartransport in Brennkammern, (b) offene verdrallte Strömung mit aufgeprägten hydrodynamischen Instabilitäten und (c) turbulente Strömung in quadratischem U-Kanal, besonders bedeutend in Turbomaschinen und Kühlungsanlagen. Die erhaltenen Ergebnisse erlauben zu sagen: 1. Das EARSM/EASFM im Vergleich zu Reynolds-Spannungs/Skalarfluss Transportgleichungsmodellen liefert vergleichbare Resultate mit wenigen numerischen Problemen und Rechenzeiten. Dies gilt sowohl für stationäre Berechnungen als auch für instationäre Untersuchungen. 2. Zur Erfassung komplexer Phänomene mit starken Wandeinflüssen, wie Wärmeübertragung, erscheint die Kombination der erweiterten Modelle leistungsfähiger.

Abstract auf Englisch:

In spite of today's progress in Large Eddy Simulation (LES) in simulating wide variety of flows, statistical models are widely used for the simulations of practical flows of the industry. Nevertheless it is necessary to develop, analyze and optimize these models. The present work devotes to the development and analysis of advanced models for RANS. These models can predict the effects of non-equilibrium turbulent flows with heat and scalar transfer satisfactorily. The parts of the model are based on explicit algebraic Reynolds stress (EARSM) and scalar flux (EASFM) modeling. The analysis allows firstly the detailed view of separated physical mechanisms and later it can be useful for simulating complex flows, swirl flows and transient turbulent flows and scalar transport processes. The first part of this work is to analyze these models by simulating academic configurations and compare with experimental data for validation. Nevertheless these simulations consists the computation of separate flow, secondary flow effects, wall flow, investigation of swirl flow and the flow in rotation system. The development part of this work discusses the optimization strategy and deals with advanced explicit algebraic Reynolds stress models for wall turbulence, strong curvature streamline and non-equilibrium effects (dissipation, anisotropy, nonlinear pressure correlation etc.). Another part of this work consist the application of thermodynamically consistence methods. The second part of this work consist the verification of prediction capability of different model combinations and their application to three complex configurations: (a) different swirl flow with passive scalar transport in the combustion chamber, (b) opened swirl flow with hydro dynamical instability and (c) turbulent flow in square U-channel, especially important in turbomachinery and cooling equipment. From the obtained results one can say that: 1. EARSM/EASFM gives good comparative results compared to Reynolds/scalar flux transport equation models with small numerical problems and computation time. It is valid for steady and also for unsteady investigations. 2. The combination of advanced model are useful in understanding the complex phenomena's like strong wall influence, heat transfer effects.

Dokument aufgenommen :	2005-07-07
URL:	http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000579