Rymdadaptiv simulering av transition och turbulens i skjuvströmning
Tid: On 2024-03-27 kl 10.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: Daniele Massaro , Turbulent simulations laboratory, SimEx/Flow
Opponent: Professor Alfredo Pinelli, City, University of London
Handledare: Professor Philipp Schlatter, Linné Flow Center, FLOW, SeRC - Swedish e-Science Research Centre, Turbulent simulations laboratory, Institute of Fluid Mechanics (LSTM), Friedrich--Alexander--Universität (FAU) Erlangen--Nürnberg, Erlangen 91058, Germany; Lecturer Saleh Rezaeiravesh, Linné Flow Center, FLOW, Strömningsmekanik och Teknisk Akustik, SeRC - Swedish e-Science Research Centre, Department of Fluids and Environment/MACE, The University of Manchester, Manchester M139PL, UK
QC 240304
Abstract
I denna avhandling studerar vi transitionella och turbulenta skjuvströmningar genom direkta numeriska simuleringar. Med hänsyn till den avgörande rollen av att kontrollera numeriska fel och representera varje skala i rummet, utvecklar, validerar och implementerar vi den adaptiva nätförfiningstekniken inom en spektralelementkod. Med hjälp av data-drivna metoder och mått för kausalitet utforskar vi de grundläggande fysikaliska mekanismerna i olika skjuvströmningar.
Den adaptiva nätförfiningen kräver en noggrann beräkning av det begångna felet. Således jämför vi den lokala spektrala felindikatorn med den felestimatorn från adjunkt-ekvationen. Den förra säkerställer en mer homogen förfining, inriktad på områden med en stor hastighetsgradient, medan den senare är målinriktad. Emellertid misslyckas den adjunkta felestimatorn i turbulenta flöden på grund av den exponentiella känsligheten hos den adjunkta linjära lösningen för turbulenta störningar. Som nytt alternativ introducerar vi en kausalitets-baserad felindikator som använder Shannon-transferentropin, dvs. ett kausalitets-mått som härrör från informationsteori, för att fastställa kausala samband mellan den lokala lösningen och en specificerad kvantitet av intresse.
Med hjälp av detta kausalitets-mått, linjär global stabilitetsanalys och modal dekomposition undersöker vi transitionella och turbulenta koherenta strukturer. I glatta turbulenta rörströmningar använder vi den så kallade proper orthogonal decomposition (POD) med Voronoi-diagrammet för att automatiskt skilja mellan väggnära och yttre virvlar. För strömningsfallet med ett krökt rör med 90 eller 180 grader-vinkel använder vi POD för att undersöka fenomenet swirl switching, vars ursprung fortsatt är oklart i litteraturen. I samband med den externa strömningen runt en cylinder utforskar vi två konfigurationer: Flettner-rotorn, en roterande cylinder i ett gränsskikt och den stegformade cylindern, där två cylindrar med olika diametrar är sammanfogade i ena änden. I den första konfigurationen analyserar vi den storskaliga rörelsen vid rotorns bas och den lokala förändringen av virvelamplituden. I den andra ger vi en djupgående analys av strukturer som uppstår nära mitten och i vaken. Dessutom genomför vi en global stabilitetsanalys med en ny adaptiv metod för att förstå bättre fysiken av de tidigare nämnda fallen.