Kursplan fastställd 2020-02-10 av programansvarig (eller motsvarande).
Kursöversikt
- Engelskt namnTurbulence modeling
- KurskodMTF271
- Omfattning7,5 Högskolepoäng
- ÄgareMPAME
- UtbildningsnivåAvancerad nivå
- HuvudområdeMaskinteknik
- InstitutionMEKANIK OCH MARITIMA VETENSKAPER
- BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd
Kurstillfälle 1
- Undervisningsspråk Engelska
- Anmälningskod 03128
- Blockschema
- Sökbar för utbytesstudenterJa
Poängfördelning
Modul | LP1 | LP2 | LP3 | LP4 | Sommar | Ej LP | Tentamensdatum |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0120 Inlämningsuppgift, del A 1,5 hp Betygsskala: UG | 1,5 hp | ||||||
0220 Inlämningsuppgift, del B 1,5 hp Betygsskala: UG | 1,5 hp | ||||||
0320 Tentamen 4,5 hp Betygsskala: TH | 4,5 hp |
|
I program
- MPAME - TILLÄMPAD MEKANIK, MASTERPROGRAM, Årskurs 1 (obligatoriskt valbar)
- MPCAS - KOMPLEXA ADAPTIVA SYSTEM, MASTERPROGRAM, Årskurs 1 (obligatoriskt valbar)
- MPCAS - KOMPLEXA ADAPTIVA SYSTEM, MASTERPROGRAM, Årskurs 2 (valbar)
- MPENM - MATEMATIK OCH BERÄKNINGSVETENSKAP, MASTERPROGRAM, Årskurs 1 (obligatoriskt valbar)
- MPNAV - MARIN TEKNIK, MASTERPROGRAM, Årskurs 1 (valbar)
Examinator
- Lars Davidson
- Professor, Strömningslära, Mekanik och maritima vetenskaper
Behörighet
Grundläggande behörighet för avancerad nivåSökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.
Särskild behörighet
Engelska 6Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.
Kursspecifika förkunskaper
MTF072 Beräkningsmetoder inom strömningsmekanik eller TME225 Strömningsmekanik, fortsättningskurs
eller någon motsvarande kurs
Syfte
Syftet med kursen är att studenterna skall utveckla fördjupad kunskap och förståelse för moderna
avancerade turbulensmodeller för simulering av instabila flöden.
Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)
- Redogöra för olika RANS turbulensmodelelr såsom k-eps, k-omega, Reynodsspämningsmodel, algebraisk Reynodsspämningsmodel, V2F model, k-omega SST
- Förstå och beskriva skillnaden mellan LES , RANS, URANS, DES och hybrid- LES - RANS
- Ta fram de exakta transportkvationersn för turbulens med hjälp tensornotation.
- Beskriv modellantaganden med hjälp tensornotation i turbulensmodeller.
- Identifiera och tolka olika termer i turbulensmodeller.
- Beskriva skillnaden mellan upplösta och modellerade Reynoldsspänningar
- Beskriva olika metoder för att hantera problem med LES nära väggar
- Beskriv fördelarna med Reynoldsspänningsmodeller jämfört med virvelviskositetsmodeller
- Härleda V2F modellen
- Återge de olika rumsliga filterteknikerna i LES
- Ta fram SGS-modeller med hjälp tensornotation
- Förstå och beskriva begreppet modellerad (exempelvis SGS) dissipation mellan upplösta och modellerade skalor
- Beskriva metoden för att föreskriva instationära, fluktuerande inloppsrandvillkor
- Kunna genomföra en simulering med en kommersiellt CFD-kod
Innehåll
Utvecklingen av datorer och Computational Fluid Dynamics (CFD) har gjort numerisk simulering av komplexa strömnmingfall, förbränning, aero-akustik och värmeöverföringsproblem möjliga. Turbulent strömning i tredimensionella, komplexa geometrier kan hanteras - instationära eller stationära. Idag kan CFD-metoder ersätta eller komplettera många experimentella metoder, dvs. vi kan använda en numerisk vindtunnel i stället för en experimentell.Idag är utförs de flesta CFD-simuleringar med traditionella RANS-metoder (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). I RANS delar vi upp strömningsvariablerna i ett tidsmedelvärde och en turbulent fluktuation. Den senare är modellerad med en turbulensmodell såsom k-eps eller Reynoldsspänningsmodell. För många strömningsfall är det inte lämpligt att använda RANS, eftersom den turbulenta delen kan vara mycket stor och i samma storleksordning som den ttidsmelvärderade. Exempel är instationär strömning i allmänhet, med eller utan separation. För denna typ av strömning är det lämpligare att använda Large Eddy Simulation (LES). För att utvidga LES till höga Reynoldstal har man utvecklat nya metoder. Dessa kallas DES (Detached Eddy Simulation), URANS (Unsteady RANS) eller Hybrid LES-RANS. De är alla instationära metoder och de är en blandning av LES och RANS. I aeroakustik genereras ljudet av turbulens. Det bästa sättet att prediktera storskalig turbulens är att genomföra en instationär simulering av strömningsfältet (dvs. LES, DES, hybrid-LES-RANS eller URANS). Särefter predikteras ljudet med CAA (Computational Aero-akustik).
I LES, DES, URANS och Hybrid LES-RANS löser man upp den storskaliga delen av turbulensen med de diskretiserade ekvationerna medan den småskaliga turbulensen modelleras. Definitionen av ''storskalig'' varierar i de olika metoderna. Dessutom är gränsen mellan ''stor-'' och ''småskalig " ofta inte väldefinierad. Eftersom turbulensrn är tredimensionell och instationär, betyder det att simuleringarna alltid måste utföras som tredimensionella, instationära simuleringar . Vi kommer att ta upp frågor som:
- Hur ska jag göra mitt nät ?
- Varför ska man LES använda ett icke-dissipativt diskretiseringsschema?
- Är det nödvändigt att använda centralt diskretiseringsschema i DES och URANS?
- Vad är det för skillnad mellan LES och instationär RANS?
- Vilka turbulensmodeller kan jag använda i DES och instationär RANS?
- För att öka numerisk stabilitet, kan en turbulensmodell med hög dissipation användas?
- Hur föreskriver jag inloppsrandvillkor?
- Inloppsrandvillkor: kan jag använda stationära inloppsrandvillkor? vilket är bäst, syntetiserad turbulens eller inloppsrandvillkor från en DNS?
När man gör en LES-URANS/DES-simulering, måste man ställa liknande frågor som när man gör mätningar:
- När är strömningen fullt utvecklad så att jag kan börja tidsmedelvärda?
- Hur länge behöver jag tidsmedelvärdera ?
- Är det tillräckligt om jag får ett noggrannt medelhastighetsfält eller behöver jag också noggranna upplösta turbulenta spänningar ?
- Hur gör jag för att uppskatta kvaliteten på min LES eller hybrid LES-RANS? Spectra? 2-punktskorrelationer? SGS-dissipation?
Den viktigaste nackdelen/flaskhalsen i LES är kravet att använda ett mycket fint rutnät nära väggarna. Rutnätet skall vara fint i alla riktningar, inte bara i riktningen normalt mot väggen. En stor del av forskningen om LES är idag fokuserad på att ta sig runt denna flaskhals. Ett sätt är hybrid-LES-RANS-metoden. I denna metod används RANS nära väggar och LES används i den återstående delen av domänen.
För mer information
Föreläsare hemsida
Organisation
Två/tre föreläsningar ges per vecka. Två projekt ska utföras av studenterna.1. Studenterna kommer att få data från en numerisk simulering (LES eller DNS). Data kommer att vara två-dimensionell, tidsmedelvärderad hastighetsfält (recirkulerande strömning). tryckfält och Reynoldsspännigar. Datan kommer att analyseras. Först kommer vi att studera hastighetsfält och ta reda på hur stora krafterna (per volymenhet ) är på grund av tryckgradienten, de turbulenta Reynoldsspänningarna och de viskösa spänningarna. Krafterna ska balansera accelerationstermen i vänsterledet. I nästa steg analyserar vi transportekvationen för de turbulenta Reynoldsspänningarna, u_iu_j. Vi identifierar regioner med stora produktionstermer, som motsvarar regioner där Reynoldsspänningarna är stora. Reynoldsspänningarna kommer att beräknas med hjälp av antagande av virvelviskositet, och dessa kommer att jämföras med deras exakta motsvarigheter.
I den andra delen av denna uppgift , kommer studenterna att använda ett kommersiellt CFD-program för att beräkna strömningsflöden med RANS . Olika turbulensmodeller kommer att utvärderas.
2 . Studenterna kommer att få instatantana tredimensionella data från en DNS (Direct Numerical Simulation) i en kanal. Med hjälp av dessa data kan vi jämföra exakta termer i de transportekvationerna (turbulent kinetisk energi k eller skjuvspänning u'v ", till exempel) med motsvarande modellerade termer. Olika filtrerade storheter relevanta för LES kommer att beräknas såsom SGS spänningar, och dynamiska Leonard spänningar. Eftersom de instantana fälten finns i databasen, kommer eleverna också ges möjlighet att använda FFT att få spektra från två-punkts korrelationer, för att skapa PDF-filer ( probabilty täthetsfunktion ) etc.
Litteratur
E-bok som kan laddas ner från kurshemsidan.