Computational Fluid Dynamics of Airflows inside buildings: RANS-LES of the cavity flow benchmark

Abstract

Denne master oppgaven undersøker ytelsen til turbulensmodellerings metoder ved å bruke CFD på strømning i et tomt rom ved et tilfelle der man har full turbulent strømning og et annet tilfelle der man har transisjonell strømning. Modellering av slike strømninger er avgjørende for å bestemme ytelsen til HVAC systemer. Forskjellige RANS, DES og LES tilnærminger ble undersøkt og sammenlignet med eksperimetnelle data og studier gjort på de samme strømningskonfigurasjonene. Denne avhandlingen er en fortsetteles av Bjekelis masteroppgave \cite{Vegard_master}, der han undersøkte RANS modeller på flere slike strømningskonfigurasjoner. Konklusjonen var at det ikke fantes noe universiell RANS modell som kunne modellere de forskjellige strømningssituasjonene knyttet til turbulens. Flere studier har brukt LES på de samme referanse konfigurasjonene som blir undersøkt i dette studiet \cite{B2_LES, B2_LES_Zasimova, B5_LES}. Konklusjonen fra disse raportene er at LES gir bedre resultater enn RANS. Bruken av hybrid RANS-LES metoder på disse referanse konfigurasjonene er dårlig dokumentert i litteraturen. Den store fordelen med å bruke RANS-LES tilnærminger er muligheten til å redusere beregningsmengden, samtidig som man opprettholder den gode nøyaktigheten til LES. Formålet med denne master oppgaven var å gjennomføre ytterlige RANS simuleringer på konfigurasjonene for å finne den øvre grensen som kan oppnås for RANS av slike strømninger. I tillegg vil DES og LES bli ytterligere undersøkt. Hovedspørsmålet som denne master oppgaven tar sikte på å besvare, er om DES kan produsere resultater like nøyaktige som LES for både full turbulente strømninger og transisjonelle strømninger i slike rom.

Resultatet fra denne studien viste at de beste RANS modellene for å modelere alle tilfellene var $k-\omega$ modellene og Spalart-Allmaras modellen. For $k-\epsilon$ modellene ble det vist at ved å bruke standard veggfunksjon fikk man bedre resultater. Imidlertid produserte disse modellene dårligere resultater sammenlignet med $k-\omega$ modellene og Spalart-Allmaras modellen for tilfellet med transisjonell strømning. Spallart-Allmaras modellen ga en mye bedre overensstemmelse med eksperimentelle data ved brukt av vorticity/strain-basert produksjon for den transisjonelle strømningen med et Reynoldsnummer på 1000. Ved bruk av low-Re korrektorer var det mulig å oppnå en bedre ytelse for SST $k-\omega$ og BSL $k-\omega$ modellen. RANS modellen som ga de beste resultatene var SST $k-\omega$ modellen med bruk av low-Re korrektoren. Det ble også kjørt URANS simuleringer, men disse ga ingen forbedring. For LES var det avgjørende å inkludere syntetisk turbulens ved innløpet av CFD domenet for å få gode resultater. For tilfellet med full turbulens strømning ga en turbulens intensitet på $50\%$ de beste resultatene, og reproduserte lignende inngangsforhold som i en DNS av en rektangulær kanal med tilsvarende Reynoldsnummer \cite{DNS_channel_flow}. LES ga også gode resultater for tilfellet med transisjonell strømning, men for tilfellet med et Reynoldsnummer på 2500 kunne resultatene forbedres ytterliger ved å optimalisere den syntetiske turbulensen som blir brukt ved innløpet av CFD domenet. Den største utfordringen ved DES var at simuleringene ofte divergerte ved bruk av syntetisk turbulens ved innløpet. Derfor var det ikke mulig å gjenskape de gode resultatene fra LES ved å bruke DES. Dermed,

This thesis investigates the performances of turbulence modelling approaches using CFD for the cavity flow of a fully turbulent and transitional benchmark. Modelling such flows are critical for determining the performance of HVAC systems. Various RANS, DES and LES approaches were investigated and compared with experimental data and studies on the same benchmarks. This thesis is a continuation of Bjerkeli's master thesis \cite{Vegard_master}, in which he investigated several RANS models on different cavity benchmarks. The conclusion was that no universal RANS model existed, which could perform well for all the benchmarks. Several studies have used LES on the same benchmarks as is investigated in this study \cite{B2_LES, B2_LES_Zasimova, B5_LES}. These studies conclude that LES outperforms RANS for all the benchmarks. Using hybrid RANS-LES approaches on these benchmarks is poorly documented in the literature. The big advantage of using RANS-LES approaches is the possibility of reducing the computational effort while preserving the excellent accuracy of LES. The scope of this study was to conduct a further investigation of RANS modelling approaches on the given benchmarks, to find the upper limit achievable for RANS modelling of cavity flows. In addition, the DES and LES framework will be further investigated for cavity flow modelling. The main question this thesis aims to answer is, whether DES can produce results as accurate as LES for both the fully turbulent and transitional regimes of cavity flow.

The findings from this study were that the best RANS models to model all of the benchmarks were the $k-\omega$ models and the Spalart-Allmaras model. For the $k-\epsilon$ models, utilizing the standard wall function gave better results. However, the $k-\omega$ and the Spalart-Allmaras models produced superior results for the transitional case. The Spalart-Allmaras model gave a much better agreement with the experimental data when utilizing the vorticity/strain-based production term for the transitional case with a Reynolds number of 1000; this was not the case for the other benchmarks. Using the low-Re corrector option it was possible to obtain even better performance for the SST $k-\omega$ model and BSL $k-\omega$ model. Hence, the RANS model with the best results was the SST $k-\omega$ model with the low-Re corrector option enabled. Furthermore, URANS simulations did not provide any real benefits. For the LES approach adding synthetic turbulence at the inlet was crucial for good results. For the fully turbulent case, a turbulence intensity of $50\%$ at the CFD inlet was found to be optimal and produced similar inlet conditions to those present in a DNS of a rectangular channel with a similar Reynolds number \cite{DNS_channel_flow}. LES also performed well for the transitional case, with the performance of the case having a Reynolds number of 2500 could be further enhanced by correcting the synthetic turbulence at the CFD inlet. The main challenge for the DES approach was that the simulations often diverged when using synthetic turbulence at the inlet. Therefore it was not possible to recreate the good results of LES by utilizing DES. Consequently, DES could not reproduce as accurate results as LES for both the fully turbulent and transitional regimes of cavity flow.