Wall Modeled Large Eddy Simulation of Viscous Flow on the BeVERLI Hill Geometry

Abstract

I denne masteroppgaven har vegg-modellert LES blitt brukt til å simulere den viskøse strømningen over BeVERLI hill geometrien. BeVERLI hill er en veggmontert «bump» som blir brukt i valideringsstudier av turbulente separerte strømninger i et internasjonalt forskningssamarbeid. Simuleringene i denne oppgaven var opprinnelig ment for en slik valideringsstudie, men det viste seg at det ble vanskelig å gjennskape de eksperimentelle test-kondisjonene. Det største problemet var å gjenskape det innkommende grensesjiktet. Dette reiste spørsmålet: hvor viktig er det innkommende grensesjiktet for de numeriske resultatene og hva betyr dette for fremtidige sammenligninger med eksperimenter?

For å svare på dette spørsmålet ble det gjennomført en parameterstudie av grensesjiktet. Grensesjikttykkelsen, δ, og indirekte momenttykkelsen, θ, var de studerte parameterne. Studien ble gjennomført for et Reynolds tall basert på bump høyde på 91 000. LES løseren i den numeriske koden MGLET ble brukt til å gjennomføre simuleringene. Smagorisnky turbulens-modellen og Werner-Wengle vegg-modellen ble brukt.

Forholdet mellom bump høyden, h, og grensesjikttykkelsen ble variert i mellom 1,5-3,01. Tidsserier av de numeriske resultatene viste at bumpen var utsatt for en asymmetrisk wake som varierte sakte i tid. Variasjonene i den asymetriske waken var så trege at simuleringene ikke klarte å skape lange nok tidsserier til å berengne korrekte gjennomsnittsverdier. Undersøkelser viste at i hovedsak kunne bare resultater i strømningsretningen på bumpens midtplan brukes for sammenligningene.

Nedstrøms separasjonspunkt og gjennvinnigspunkt på midtplanet ble ikke påvirket av det innkommende grensesjiktet. Det gjennomsnittlige separasjonspunktet og gjennvininspunktet ble funnet 0,76h og 3,52h nedstrøms for bumpens senter.

Det ble konkludert med at det innkommende grensesjiktet ikke påvirket resultatene i nevneverdig grad for h/δ > 2,08 og h/θ > 17,9. For tykkere grensesikt enn dette ble den viskøse trykkmotstanden, ekstremverdien for sidekraft og turbulent kinetisk energi i waken funnet å synke.

Funnene fra parameterstudien viser at veldig lange tidsserier trengs for fremtidige valideringsstudier. Hvis resultater fra numeriske simuleringer og eksperimenter skal bli sammenlignet må begge metoder passe på å innhente lange nok tidsserier slik at de korrekte gjennomsnittsfeltene kan bli beregnet. Hvis dette ikke er gjennomførbart kan det være mulig å sammenligne resultater i strømningsretningen på bumpens midtplan slik som hastighet i strømningsretningen, wake størrelse, separasjonspunkt og gjennvinningspunkt. Videre viser det seg at strømningen er minst påvirket av det innkommende grensesjiktet for de tynneste grensesjiktene. Hvis de eksperimentelle eller numeriske grensebetingelsene er usikre er det derfor anbefalt å gjennomføre sammenligninger for h/δ > 2,08 og h/θ > 17,9.

In this work, the viscous flow on the BeVERLI hill geometry has been simulated using wall-modeled Large eddy simulation. The BeVERLI hill is a wall-mounted bump used for validation studies of turbulent separated flows in an international research project. The simulations in this thesis were originally meant to be performed as validation studies, however, it proved to be difficult to replicate the experimental test conditions in the numerical simulations. The main problem was the incoming boundary layer on the geometry. This raised the question: how important is the incoming boundary layer for the numerical results and what does this mean for future comparisons with the experiments?

To answer this question a boundary layer parameter study was performed. The boundary layer thickness, δ, and indirectly the momentum thickness, θ, were the studied parameters. The study was performed at a Reynolds number based on the bump height of 91 000. The LES solver in the numerical code MGLET was used to perform the simulations. The Smagorinsky turbulence model and the Werner-Wengle wall model were used.

The bump height, h, to boundary layer thickness ratio was varied between 1.5-3.01. Time series of the numerical results revealed that the bump flow was subject to a slowly varying asymmetric wake. The dynamics of the asymmetric wake were so slow that the simulations were not able to capture long enough time series to calculate the correct mean fields. Investigations revealed that mainly streamwise quantities at the bump midplane could be used for comparisons.

The downstream separation and reattachment point at the midplane was not proven to be affected by the boundary layer at all. The average separation point and reattachment point were found 0.76h and 3.52h downstream of the bump center respectively.

In general, it was concluded that changes in the boundary layer did not affect the results for h/δ > 2.08 and h/θ > 17.9. For boundary layers larger than this, it was found that the viscous pressure drag, the extreme value of the sideforce oscillations, and the turbulence kinetic energy in the wake all decreased.

The findings from the parameter study show that very long time series is needed for future validation studies. If results from time-resolved numerics and experiments are to be compared, both methodologies must assure long enough time series that the correct mean fields are achieved. If this is not feasible it may be possible to compare streamwise quantities at the bump midplane, such as the streamwise velocity, wake size, separation point, and reattachment point. Further, it seems like the bump flow is least affected by boundary layer variations for the thinnest boundary layers. If the experimental or numerical boundary layer conditions are uncertain it is therefore recommended to run the comparison for h/δ > 2.08 and h/θ > 17.9.