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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3210

Title: Large eddy simulation tool for environmental and industrial processes
Authors: Roman, Federico
Supervisor/Tutor: Armenio, Vincenzo
Armenio, Vincenzo
Issue Date: 28-Apr-2009
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Computational Fluid Dynamics (CFD) is an established tool for consulting and for basic research in fluid mechanics. CFD is required to provide information where analytical approaches or experiments would be impossible or too expensive. Most of the flows of engineering interest are turbulent. Turbulence is an unresolved problem of classical physics, because of the non linearity of the fluid motion equations. At the moment the only way to face them is numerically. Turbulence is composed of eddies in a broad range of size. To solve numerically the Navier-Stokes equations, the equations set that governs the fluid motion, a very fine grid is necessary in order to catch also the smallest eddies. The computational cost increases as Re3 (Re = ul/ is the Reynolds number with u and l an inertial velocity and length scales and the kinematic viscosity). Real life problems are characterized by very large Reynolds numbers and the consequent computational cost is enormous. So the direct solutions of Navier-Stokes equations (DNS) is not feasible. In many applications it is not necessary to solve all the eddies, it can be sufficient to supply the effects of unresolved scale to the flow. In Large Eddy Simulation (LES) most of the scales of motion are directly solved, in particular all the large energy carrying scales. These scales are influenced by the boundaries and they are strongly anisotropic. The smaller and dissipative scales must be modeled, but these scales loosing memory of the boundary conditions are more isotropic and hence formulating a general model that accounts for their effect is relatively easier. Large Eddy Simulation is a prospective tool for investigation in real life problems, in particular when high detailed analysis is required. This is the case for many industrial and environmental processes. For example, acoustic problems due to hydrodynamic noise are governed over a range of large scales which are easily reproduced by LES solution. However in these types of flows many difficulties arise also for LES. In general these flows are characterized by high Reynolds number. Wall-bounded flow at high Re requires high computational cost because LES is constrained to be DNS-like. Besides complex geometries are often involved. Structured or Unstructured body-fitted grid can be very hard to made, moreover unstructured grid can be expensive and not suited for LES. Scope of this thesis is to develop tools to apply LES to such configurations in order to make numerical simulation more adaptable to real life problems. In particular to deal with complex geometry an Immersed Boundary Methodology has been developed for curvilinear coordinates. The method has been applied to several test cases with good results. Then this methodology has been extended to high Reynolds number flows through the use of a wall model. In order to work on anisotropic grid, typical in sea coastal domain, a modified Smagorisky model has been proposed. Finally particle dispersion has been considered in stratified environmental flow. These tools has been applied to an industrial and to an environmental problem with good results.
La fluidodinamica computazionale (CFD) ´e uno strumento affermato per le consulenze e per la ricerca di base nella meccanica dei fluidi. Alla CFD ´e richiesto di fornire informazioni quando approcci analitici o sperimentali sarebbero impossibili o troppo costosi. La maggior parte dei flussi di interesse ingegneristico ´e di tipo turbolento. La turbolenza ´e uno dei problemi irrisolti della fisica classica, ci´o ´e dovuto alla non linearit´a delle equazioni che governano il moto dei fluidi. Al momento l’unico modo per affrontarle ´e numericamente. La turbolenza si compone di vortici di diverse dimensioni. Per risolvere numericamente le equazioni di Navier-Stokes, le equazioni che governano il moto dei fluidi, una griglia molto fine ´e necessaria al fine di simulare propriamente anche i vortici di scala pi´u piccola. Il costo computazionale cresce come Re3 (Re = ul/ ´e il numero di Reynolds, con u e l una velocit´a ed una lunghezza scala caratteristici e la viscosit´a cinematica). I problemi reali sono caratterizzati da numeri di Reynolds altissimi e conseguentemente il costo computazionale di queste simulazioni ´e enorme. Per questo motivo la soluzione diretta delle equazioni di Navier-Stokes (DNS) non ´e possibile. In molte applicazioni non ´e necessario risolvere tutte le scale dei vortici, pu´o essere sufficiente fornire l’effetto delle scale non risolte al flusso. Nella Large Eddy Simulation gran parte delle scale di vortici ´e direttamente risolta, in particolare le larghe scale energetiche. Queste scale sono influenzate dalle condizioni al contorno e sono fortemente anisotrope. Le scale piccole e dissipative devono essere modellate, ma queste scale perdendo memoria delle condizioni al contorno sono generalmente isotrope ed un modello per riprodurre il loro effetto risulta semplice. La LES ´e uno strumento d’avanguardia per lo studio di flussi realistici, in particolare risulta molto potente quando vengono richieste analisi dettagliate del moto. Questo ´e il caso di molti problemi in campo industriale ed ambientale. Per esempio problemi acustici dovuti a rumore idrodinamico sono governati dalle grandi scale che nella LES sono facilmente riprodotte. Comunque anche per la LES sorgono molte difficolt´a nel affrontare questi problemi. Generalmente questi flussi sono caratterizzati da alti numeri di Reynolds. Flussi di parete ad alti Re richiedono un costo computazionale elevatissimo e alla fine la LES deve soddisfare a requisiti tipici della DNS. Inoltre spesso questi flussi sono caratterizzati da geometrie complesse. Griglie strutturate o non strutturate che si adattano alle geometrie possono essere molto difficili da sviluppare, inoltre le griglie non strutturate possono essere molto costose e non particolarmente adatte alla LES. Lo scopo di questa tesi ´e di sviluppare degli strumenti atti a rendere efficiente l’applicazione della LES a flussi realistici. In particolare per affrontare le geometrie complesse ´e stata sviluppata una metodologia Immersed Boundary per coordinate curvilinee. Il metodo ´e stato provato su diversi casi con buoni risultati. La metodologia ´e stata quindi estesa al caso di flussi ad alto numero di Reynolds tramite lo sviluppo di un modello parete. ´E stato quindi sviluppato un modello modificato di Smagorinsky per lavorare con griglie fortemente anisotrope, tipiche per flussi in ambito marino costiero. Infine ´e stata studiata la dispersione di particelle in flussi ambientali stratificati. Gli strumenti sviluppati sono stati quindi applicati ad un problema industriale ed ad uno ambientale con ottimi risultati.
PhD cycle: XXI Ciclo
PhD programme: FLUIDODINAMICA AMBIENTALE (ENVIROMENTAL FLUID MECHANICS)
Description: 2007/2008
Keywords: large eddy simulation
immersed boundary method
wall modeling for ibm
anisotropic grid
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: ICAR/01 IDRAULICA
NBN: urn:nbn:it:units-7501
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