scholarly journals Computational study of flow-structure interaction

2012 ◽  
Author(s):  
Σοφία Πέππα
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
Direct Numerical Simulation ◽  
Flow Structure ◽  
Computational Study ◽  
Navier Stokes ◽  
Structure Interaction

Τα προβλήματα ταλαντώσεων που παρουσιάζουν οι περισσότερες θαλάσσιες και μηχανολογικές κατασκευές οφείλονται κυρίως σε ρευστομηχανικά αίτια. Συγκεκριμένα, σε κατασκευές όπως αγωγοί (risers) και εναλλάκτες θερμότητας, η διέγερση οφείλεται στη δημιουργία δρόμου δινών, με συνέπεια τη χρονικά μεταβαλλόμενη καταπόνησή τους. Η κίνηση των πραγματικών κατασκευών χαρακτηρίζεται από περισσότερους βαθμούς ελευθερίας, σε σχέση με τον ένα βαθμό της απλής ταλάντωσης κατά την εγκάρσια ως προς την κύρια ροή κατεύθυνση. Στο πλαίσιο της έρευνας στην περιοχή της αλληλεπίδρασης ροής με κινούμενη κατασκευή, στην παρούσα διατριβή μελετήσαμε υπολογιστικά τη ροή γύρω από κύλινδρο ταλαντούμενο ταυτόχρονα κατά την εγκάρσια και κατά την αξονική κατεύθυνση, σε σχέση με ρεύμα σταθερής ταχύτητας. Η μελέτη έγινε για τιμή του αριθμού Reynolds Re=400. Η παρούσα μελέτη έγινε για διαφορετικές τιμές της συχνότητας της εγκάρσιας ταλάντωσης, όλες στην περιοχή της φυσικής συχνότητα του δρόμου δινών της ροής (γύρω από ακίνητο κύλινδρο). Η συχνότητα της ταλάντωσης κατά την αξονική κατεύθυνση είναι κάθε φορά διπλάσια της αντίστοιχης κατά την εγκάρσια κατεύθυνση. Έτσι, ο κύλινδρος διαγράφει μια τροχιά που ομοιάζει προς τον αριθμό οκτώ (8), σε αντιστοιχία με την κίνηση πραγματικών κατασκευών. Για ρεύμα ταχύτητας από αριστερά προς τα δεξιά, διακρίνουμε δύο κινήσεις, τις οποίες χαρακτηρίζουμε, ανάλογα με τη φορά διαγραφής της τροχιάς στο άνω ήμισυ του επιπέδου x-y, ως αντι-ωρολογιακή και ωρολογιακή.Η μελέτη έγινε σε δύο και τρεις διαστάσεις, με χρήση αριθμητικής προσομοίωσης. Ο υπολογισμός του ροϊκού πεδίου και ο υπολογισμός των δυνάμεων που ασκούνται στον ταλαντούμενο κύλινδρο βασίζεται στην απευθείας επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes (Direct Numerical Simulation – DNS) με χρήση μιας μεθόδου φασματικών πεπερασμένων στοιχείων. Ειδικότερα, στην παρούσα διατριβή για τους υπολογισμούς του πεδίου ροής χρησιμοποιήθηκε παράλληλος κώδικας φασματικών πεπερασμένων στοιχείων. Η μελέτη επικεντρώθηκε στο να αναδείξει τη δυναμική της ροής στον ομόρρου ταλαντούμενης κατασκευής (κυλίνδρου) και στον υπολογισμό των αδιαστατοποιημένων δυνάμεων, συναρτήσει του λόγου του πλάτους της ταλάντωσης προς τη διάμετρο, , καθώς και τη συσχέτισή τους με τη δομή του δρόμου δινών. Τα αποτελέσματα για τη διδιάστατη ροή καταδεικνύουν ότι η δομή της ροής και οι ασκούμενες στον κύλινδρο δυνάμεις επηρεάζονται σημαντικά από τη φορά διαγραφής της τροχιάς. Συγκεκριμένα, η αντι-ωρολογιακή τροχιά αντιστοιχεί γενικά, σε μεγαλύτερες τιμές των αδιαστατοποιημένων δυνάμεων, σε σύγκριση με την ωρολογιακή τροχιά, για τα ίδια επίπεδα εύρους ταλάντωσης. Η οπτική απεικόνιση των υπολογισθέντων ροϊκών πεδίων κατέδειξε ότι, για μικρά εύρη ταλάντωσης, ο ομόρρους χαρακτηρίζεται στις πλείστες των περιπτώσεων από ζεύγη δινών αντίθετου προσήμου στροβιλότητας (δομή 2S), ενώ για μεγάλα εύρη ταλάντωσης, ο ομόρρους χαρακτηρίζεται από πολύπλοκη δομή του δρόμου δινών, καί για τις δύο μελετηθείσες κινήσεις του κυλίνδρου. Επίσης καταδεικνύεται ότι η επίδραση της αξονικής ταλάντωσης στις δυνάμεις που ασκούνται στον κύλινδρο καθώς και στη δομή του ομόρρου είναι σημαντική.Με βάση τα αποτελέσματα της διδιάστατης ροής που ανέδειξαν την αντι-ωρολογιακή τροχιά της ταλάντωσης του κυλίνδρου ως την πλέον επικίνδυνη για τις κατασκευές, πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί τρισδιάστατης ροής για την αντι-ωρολογιακή τροχιά ταλάντωσης, για συχνότητα της εγκάρσιας ταλάντωσης ίση με τη φυσική συχνότητα του δρόμου δινών. Τα αποτελέσματα της τρισδιάστατης ροής απεικονίζουν την ομαλή μεταβολή των δυνάμεων που αναπτύσσονται στον κύλινδρο, σε αντίθεση με αυτά της διδιάστατης ροής, τα οποία χαρακτηρίζονται από απότομη μεταβολή στην περιοχή . Το φάσμα του συντελεστή άνωσης χαρακτηρίζεται από την παρουσία της φασικής συχνότητας , και την τρίτης τάξεως αρμονική αυτής, με ομοιότητα προς το αντίστοιχο φάσμα της διδιάστατης ροής. Η οπτική απεικόνιση του τρισδιάστατου πεδίου ροής κατέδειξε την παρουσία δομών 2S για μικρά εύρη ταλάντωσης, με τον ομόρρου να χαρακτηρίζεται από πολύπλοκες δομές για μεγάλες τιμές του εύρους ταλάντωσης. Εν γένει, η τρισδιάστατη ροή χαρακτηρίζεται από την παρουσία δινών Kárman και ζευγών δινών με στροβιλότητα κατά την κατεύθυνση x.

On Direct Numerical Simulation of Turbulent Flows

2011 ◽  
Vol 64 (2) ◽  
Author(s):  
Giancarlo Alfonsi
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
Direct Numerical Simulation ◽  
High Performance Computing ◽  
Turbulent Flows ◽  
High Performance ◽  
Stokes Equations ◽  
Navier Stokes ◽  
Turbulent Shear ◽  
Navier Stokes Equations ◽  
Performance Computing

The direct numerical simulation of turbulence (DNS) has become a method of outmost importance for the investigation of turbulence physics, and its relevance is constantly growing due to the increasing popularity of high-performance-computing techniques. In the present work, the DNS approach is discussed mainly with regard to turbulent shear flows of incompressible fluids with constant properties. A body of literature is reviewed, dealing with the numerical integration of the Navier-Stokes equations, results obtained from the simulations, and appropriate use of the numerical databases for a better understanding of turbulence physics. Overall, it appears that high-performance computing is the only way to advance in turbulence research through the front of the direct numerical simulation.

scholarly journals Numerical stability analysis of a vortex ring with swirl

2019 ◽  
Vol 878 ◽  
pp. 5-36 ◽  
Author(s):  
Yuji Hattori ◽  
Francisco J. Blanco-Rodríguez ◽  
Stéphane Le Dizès
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
Growth Rate ◽  
Direct Numerical Simulation ◽  
Vortex Ring ◽  
Stokes Equations ◽  
Base Flow ◽  
Critical Layer ◽  
Navier Stokes ◽  
Instability Mode ◽  
Navier Stokes Equations

The linear instability of a vortex ring with swirl with Gaussian distributions of azimuthal vorticity and velocity in its core is studied by direct numerical simulation. The numerical study is carried out in two steps: first, an axisymmetric simulation of the Navier–Stokes equations is performed to obtain the quasi-steady state that forms a base flow; then, the equations are linearized around this base flow and integrated for a sufficiently long time to obtain the characteristics of the most unstable mode. It is shown that the vortex rings are subjected to curvature instability as predicted analytically by Blanco-Rodríguez & Le Dizès (J. Fluid Mech., vol. 814, 2017, pp. 397–415). Both the structure and the growth rate of the unstable modes obtained numerically are in good agreement with the analytical results. However, a small overestimation (e.g. 22 % for a curvature instability mode) by the theory of the numerical growth rate is found for some instability modes. This is most likely due to evaluation of the critical layer damping which is performed for the waves on axisymmetric line vortices in the analysis. The actual position of the critical layer is affected by deformation of the core due to the curvature effect; as a result, the damping rate changes since it is sensitive to the position of the critical layer. Competition between the curvature and elliptic instabilities is also investigated. Without swirl, only the elliptic instability is observed in agreement with previous numerical and experimental results. In the presence of swirl, sharp bands of both curvature and elliptic instabilities are obtained for $\unicode[STIX]{x1D700}=a/R=0.1$, where $a$ is the vortex core radius and $R$ the ring radius, while the elliptic instability dominates for $\unicode[STIX]{x1D700}=0.18$. New types of instability mode are also obtained: a special curvature mode composed of three waves is observed and spiral modes that do not seem to be related to any wave resonance. The curvature instability is also confirmed by direct numerical simulation of the full Navier–Stokes equations. Weakly nonlinear saturation and subsequent decay of the curvature instability are also observed.

A high-resolution Navier–Stokes solver for direct numerical simulation of free shear flow

2018 ◽  
Vol 74 (6) ◽  
pp. 840-860 ◽  
Author(s):  
Sagar Dave ◽  
Chetankumar Anghan ◽  
Shaswat Saincher ◽  
Jyotirmay Banerjee
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
High Resolution ◽  
Shear Flow ◽  
Direct Numerical Simulation ◽  
Navier Stokes

Identification of Bypass Transition Onset Markers Using Direct Numerical Simulation

2018 ◽  
Vol 140 (11) ◽  
Author(s):  
Shanti Bhushan ◽  
D. Keith Walters ◽  
S. Muthu ◽  
Crystal L. Pasiliao
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
Boundary Layer ◽  
Direct Numerical Simulation ◽  
Large Scale ◽  
General Purpose ◽  
Navier Stokes ◽  
Bypass Transition ◽  
Flow Parameters ◽  
Rans Models ◽  
Large Scale Flow

Efficacy of several large-scale flow parameters as transition onset markers are evaluated using direct numerical simulation (DNS) of boundary layer bypass transition. Preliminary results identify parameters (k2D/ν) and u′/U∞ to be a potentially reliable transition onset marker, and their critical values show less than 15% variation in the range of Re and turbulence intensity (TI). These parameters can be implemented into general-purpose physics-based Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) models for engineering applications.

scholarly journals A study of the flow-field evolution and mixing in a planar turbulent jet using direct numerical simulation

2002 ◽  
Vol 450 ◽  
pp. 377-407 ◽  
Author(s):  
S. A. STANLEY ◽  
S. SARKAR ◽  
J. P. MELLADO
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
Flow Field ◽  
Direct Numerical Simulation ◽  
Large Scale ◽  
Computational Study ◽  
Practical Interest ◽  
Small Scale ◽  
Mixing Process ◽  
Mean Velocity ◽  
Small Scales

Turbulent plane jets are prototypical free shear flows of practical interest in propulsion, combustion and environmental flows. While considerable experimental research has been performed on planar jets, very few computational studies exist. To the authors' knowledge, this is the first computational study of spatially evolving three-dimensional planar turbulent jets utilizing direct numerical simulation. Jet growth rates as well as the mean velocity, mean scalar and Reynolds stress profiles compare well with experimental data. Coherency spectra, vorticity visualization and autospectra are obtained to identify inferred structures. The development of the initial shear layer instability, as well as the evolution into the jet column mode downstream is captured well.The large- and small-scale anisotropies in the jet are discussed in detail. It is shown that, while the large scales in the flow field adjust slowly to variations in the local mean velocity gradients, the small scales adjust rapidly. Near the centreline of the jet, the small scales of turbulence are more isotropic. The mixing process is studied through analysis of the probability density functions of a passive scalar. Immediately after the rollup of vortical structures in the shear layers, the mixing process is dominated by large-scale engulfing of fluid. However, small-scale mixing dominates further downstream in the turbulent core of the self-similar region of the jet and a change from non-marching to marching PDFs is observed. Near the jet edges, the effects of large-scale engulfing of coflow fluid continue to influence the PDFs and non-marching type behaviour is observed.

scholarly journals Numerical investigation of particles turbulent dispersion in channel flow

2012 ◽  
Vol 16 (5) ◽  
pp. 1510-1514
Author(s):  
Tian Li ◽  
Li-Hao Zhao ◽  
Xiao-Ke Ku ◽  
Helge Andersson ◽  
Terese Lovas
Keyword(s):  
Numerical Simulation ◽  
Direct Numerical Simulation ◽  
Numerical Investigation ◽  
Channel Flow ◽  
Particle Distribution ◽  
Turbulent Dispersion ◽  
Wall Turbulence ◽  
Navier Stokes ◽  
Reynolds Averaged Navier Stokes ◽  
Over Time

This paper investigates the performance of Reynolds-averaged Navier-Stokes model on dispersion of particles in wall turbulence. A direct numerical simulation of wall-bounded channel flow with particles suspensions was set as a benchmark. The standard k-? model coupled with two different eddy interaction models was used in Reynolds-averaged Navier-Stokes model and compared to the direct numerical simulation. Detailed comparisons between direct numerical simulation and Reynolds-averaged Navier-Stokes model on particle distribution evolving over time were carried out.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document