Turbulent Boundary-Layer Simulations – comparison with experiments

Abstract

The turbulent flow of gases and liquids plays an important role in a vast range of applications. Examples of this include atmospheric boundary layer flows, vehicles aerodynamics and internal combustion systems. From a societal security point of view, the dispersion of harmful substances in the form of aerosols and gases cannot be fully understood without taking turbulent transport into account. In the maritime sector, it is necessary to describe turbulent motion faithfully in order to be able to predict the hydrodynamic drag and to understand the noise generating mechanisms of vessels. Similarly, the prediction of aerodynamic drag, which is important to develop drag reducing designs on aircraft and vehicles, would be virtually impossible without detailed knowledge of turbulent flows. Inmany cases it is possible to performeither full scale ormodel scalemeasurements to establish knowledge about the turbulent flows. Clearly, measurements have the advantage that there is no need to model the flow, and real-time data is possible to extract. On the other hand, the data is often collected in a noisy environment, and generally it is not possible to collect full space data. The fast development of software and computer power has rendered computer simulation models based on solution of the Navier-Stokes equations an attractive tool to study turbulent flow phenomena. Recently, high fidelity techniques such as Large Eddy Simulation (LES) have become feasible for ever more complex problems. However, since LES methods require large computational resources, one needs to reduce the computational domain as much as possible. Due to this limitation, artificial boundary conditions at the upstream boundary of the computational domain are needed in order to describe the effect of the incoming flow. This report presents LES results using a synthetic turbulence generator to supply artificial inflow conditions for two high Reynolds number turbulent boundary layer flows. In both cases, measurements are available for comparison. The motivation of this report is hence twofold. First, we aim to validate the performance of the Large Eddy Simulation model as a tool to study boundary layer flows. Second, we aim to quantify the performance of the synthetic turbulence generator. The synthetic turbulence generator performs well for both flows. Although we find that high spatial resolution is needed to obtain a good measure of the skin friction, the large scale structures are captured even at relatively coarse resolution. This is important since t

Turbulent strømning av gassar og væsker spelar ei viktig rolle innanfor mange ulike bruksområde. Døme på dette er atmosfæriske grensesjikt, aero- og hydrodynamikken til fartøy ogmiksing i forbrenningsprosessar. I eit samfunnstryggleiksperspektiv er det til dømes vanskeleg å predikere spreiing av farlige emne i formav gassar og partiklar utan å ta omsyn til turbulent transport. Imaritimsektor er det naudsynt å kunne skildre turbulente rørsler med stor grad av nøyaktigheit for å kunne berekne strømningsmotstand og strømningsindusert støy både på overflatefartøy, undervassbåtar og taua antennesystem. På same måte er designoptimering av fly og bilar for å redusere luftmotstand heilt avhengig av god kunnskap om turbulente strømningar. I mange tilfelle er det mogleg å utføre enten fullskala eller modellskala målekampanjar for å få kunnskap om turbulens. Ein fordel med målingar er at ein ikkje treng å modellere strømninga, samtidig som det er mogleg å ekstrahere sanntidsdata. På den andre sida vert målingar ofte prega av støy, noko som gjer det vanskeleg å ekstrahere gode data. På grunn av avgrensingar ved måleteknikk er det generelt heller ikkje mogleg å samle inn alle data ein ønsker. Den raske utviklinga i programvare og datakapasitet har medført at simuleringsmodellar basert på løysing av Navier-Stokes-likningar blir stadig meir eigna som verktøy for å studere turbulente strømningar. Nyleg har det vortemogleg å bruke nøyaktigemetodar, slik somLarge Eddy-simulering (LES), på stadig meir komplekse problemstillingar. Sidan LES-metodar krev stor reknekraft, treng ein å avgrense berekningsområdet så mykje som mogleg. Ei slik avgrensing gjer at ein vert nøydd til å anta at den innkomande turbulente strømninga oppfører seg på ein spesiell måte. Ein set altså kunstige randkrav. I denne rapporten har LES blitt brukt til å studere to turbulente grensesjikt med høge Reynoldstal. I begge tilfella har resultat frå vindtunnel vore tilgjengeleg for samanlikning, og i begge tilfella har ein syntetisk turbulensgenerator blitt brukt for å skape randvilkår for den innkomande strømninga. Resultata viser at den syntetiske turbulensgeneratoren fungerer godt for begge strømningane. Sjølv om høg romleg oppløysing er naudsynt for å oppnå gode estimat på veggfriksjonen, vert dei store skalaene i turbulensen godt skildra, til og med for relativt låg oppløysing. Dette er viktig sidan desse strukturane er essensielle både i transport av aerosolar og i støygenerering.