Development of a numerical-computational methodology for the simulation of unsteady flows with heat transfer
Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας αριθμητικής-υπολογιστικής μεθοδολογίας για την προσομοίωση γενικά μη μόνιμων ροών με ταυτόχρονη μεταφορά θερμότητας.Ο αναπτυχθείς επιλύτης είναι κατάλληλος για την προσομοίωση δισδιάστατων ή τρισδιάστατων, ασυμπίεστων, στρωτών ή τυρβωδών ροών συνεκτικού και Νευτώνειου ρευστού. Για την απαραίτητη σύζευξη των πεδίων πίεσης και ταχύτητας εφαρμόζεται η προσέγγιση της τεχνητής συμπιεστότητας. Για την πρόβλεψη ανωστικών ροών του ασυμπίεστου ρευστού, η μεταβολή της πυκνότητας λόγω θερμοκρασιακών διαφορών προσομοιώνεται σύμφωνα με την προσέγγιση Boussinesq. Για τις τυρβώδεις ροές χρησιμοποιούνται δύο ευρέως διαδεδομένα RANS μοντέλα τύρβης, το μοντέλο τύρβης k-ω SST στη χαμηλών και υψηλών αριθμών Re έκδοσή του και το υψηλών αριθμών Re k-ε μοντέλο τύρβης.Ο επιλύτης εφαρμόζει μια κεντρο-κομβική (node-centered) πεπερασμένων όγκων τεχνική διακριτοποίησης, χρησιμοποιώντας ακμο-βασική (edge-based) και διαφανή (transparent) προσέγγιση σε υβριδικά αριθμητικά πλέγματα. Για τον υπολογισμό των μη-συνεκτικών όρων αναπτύχθηκε εκ του μηδενός ο προσεγγιστικός Riemann επιλύτης του Roe. Οι συνεκτικοί όροι διακριτοποιούνται χρησιμοποιώντας ένα κεντρικό σχήμα. Η χρονική διακριτοποίηση επιτυγχάνεται μέσω ενός πλήρως πεπλεγμένου σχήματος για τη χρονοπροέλαση στον ψευδο-χρόνο και το φυσικό χρόνο.Όλες οι εξισώσεις μέσης ροής (εξισώσεις συνέχειας, ορμής και ενέργειας) επιλύονται ισχυρά συζευγμένες. Η ισχυρή σύζευξη των εξισώσεων προτιμήθηκε μετά από σύγκριση με την ασθενώς συζευγμένη επίλυση, σύγκριση την οποία δεν έχουμε βρει στη βιβλιογραφία να παρουσιάζεται για το συγκεκριμένο σύστημα εξισώσεων. Η ισχυρή σύζευξη έδειξε γρηγορότερη σύγκλιση για σημαντικά μη-συνεκτικά φαινόμενα και μας επέτρεψε τη χρήση υψηλότερων αριθμών CFL κάνοντας τη σύγκλιση ακόμα γρηγορότερη.Για τη μοντελοποίηση της θερμικής ακτινοβολίας εφαρμόστηκαν δύο μεθοδολογίες. Η πρώτη αποτελεί μια αναλυτική μεθοδολογία που βασίζεται στη χρήση γωνιακών παραγόντων και η δεύτερη αποτελεί μια πεπερασμένων όγκων μεθοδολογία.Μετά από την ανάπτυξη της αριθμητικής μεθοδολογίας σε υπολογιστικό κώδικα επιλύθηκαν αρκετές περιπτώσεις αναφοράς (benchmark test cases) για την επαλήθευση της ορθής λειτουργίας του κώδικα και την αξιολόγηση των δυνατοτήτων του. Τα αποτελέσματα είναι αρκετά ενθαρρυντικά όπως συμβαίνει και με την παραλληλοποίηση του επιλύτη, που παρουσίασε σημαντική μείωση του υπολογιστικού χρόνου.Τέλος, προχωρήσαμε στην προσομοίωση δύο σεναρίων πυρκαγιάς σε αεριζόμενη σήραγγα. Οι περιπτώσεις πυρκαγιάς προσομοιώθηκαν είτε λαμβάνοντας υπόψη την ακτινοβολία και την αγωγή στο τοίχωμα είτε όχι. Η θερμική ακτινοβολία και η αγωγή στο τοίχωμα έδειξαν ότι είναι απαραίτητες για την πρόβλεψη ρεαλιστικών αποτελεσμάτων.