Contribution to the development of an adaptive solver for numerical simulation of steady and unsteady flows

Ray, Saurya Ranjan; Ballmann, Josef

doi:999910327787

Contribution to the development of an adaptive solver for numerical simulation of steady and unsteady flows = Beitrag zur Entwicklung eines adaptiven Lösers für die numerische Simulation von stationären und instationären Strömungen

Ray, Saurya Ranjan (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Saurya Ranjan Ray

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXIV, 116 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ballmann, Josef (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-01-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45584
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/228612/files/4558.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Computergestützte Analyse technischer Systeme (416010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mehrgitterverfahren (Genormte SW) ; Präkonditionierung (Genormte SW) ; Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Stationäre Strömung (Genormte SW) ; Mathematik (frei) ; Quadflow (frei) ; Vorkonditionierer (frei) ; Detached-Eddy-Ansatz (frei) ; Stoß-Buffet (frei) ; Gitteradaption (frei) ; Multigrid-Methode (frei) ; preconditioning (frei) ; detached Eddy simulation (frei) ; shock buffet (frei) ; grid adaptation (frei) ; multigrid method (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 510

Kurzfassung
Die Arbeit behandelt die Ertüchtigung des unstrukturierten, adaptiven, Finite-Volumen-Lösungsverfahrens QUADFLOW für Strömungen kompressibler Fluide. Der bestehende Löser ist ein integriertes Werkzeug mit multiskalenbasierter Gitteradaption und B-Spline-Techniken zur Erzeugung von Viereck- bzw. Hexaedernetzen. Weil die Gitteradaption hängende Knoten einbringen kann, ist die Datenstruktur zelloberflächenorientiert. Für die Flussdiskretisierung sind Upwind-Methoden und für die Zeitdiskretisierung eine explizite sowie implizite Formulierungen in Kombination mit Newton-Linearisierung und Krylov-Unterraum Methode eingebaut. In der Dissertation wird ein Vorkonditionierer nach der Formulierung von Weiss und Smith zur Simulation reibungsfreier und reibender Strömungen kleiner Machzahl um Profile in Reise- und Hochauftriebskonfiguration eingebaut. Die Ergebnisse offenbaren das Erzielen Machzahl-unabhängiger Werte für Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten (d’Alembert-Paradoxon) und treffen sehr gut Resultate der Literatur. Der Wandabstand für die Turbulenzmodellierung wird bei Auftreten sehr gestreckter, verfeinerter Zellen und hängender Knoten mittels Vektoralgebra abgeschätzt, um adaptionsbedingt gestörte Wandreibungsverteilungen zu vermeiden. Weiters wird dargestellt, dass ein „Detached-Eddy-Ansatz“ auf Basis des Spalart-Allmaras Turbulenzmodells sich zusammen mit der Gitteradaption als effektiv erweist und sich bei Hochauftriebskonfigurationen sehr gut zur Erfassung massiver Strömungsablösung eignet. Mittels zeitlicher Rückwärtsdifferenzen wird eine geometrisch konservative, implizite Diskretisierung zweiter Ordnung formuliert, eingebaut und durch Simulation instationärer, reibungsfreier Strömung um ein nickendes NACA0012 Profil validiert. Die Methode erweist sich dem vorher verwendeten Mittelpunktsschema überlegen, indem es größere Zeitschrittweiten und CFL-Zahlen erlaubt. Die nichtlineare Multigrid-Methode, basierend auf „Full Approximation Storage“ mit V-Zyklus, wird implementiert, um die Konvergenz des zeitlich expliziten Verfahrens bei der Lösung reibungsfreier Strömungsprobleme zu beschleunigen. Die Gittervergröberung fußt auf einer hierarchischen Strategie, die feineren Zellen, die zu identischen Elternzellen auf gleicher Verfeinerungsstufe gehören, zu einer Folge von Grobgittern zusammenzufassen. Der Restriktionsoperator basiert auf dem Volumengewicht, die Prolongation erfolgt mittels des Upwind-Schemas. Alle Implementierungen in das Lösungsverfahren werden an verfügbaren experimentellen und numerischen Resultaten ausführlich validiert. Es werden vollturbulente Strömungen bei unterschiedlichen Anström-Mach- und -Reynoldszahlen berechnet und mit Daten aus im Auftrag des SFB 401 durchgeführten KRG-Experimenten verglichen, darunter Tests, in denen starke Stoß-Grenzschicht-Interaktionen und Buffet beobachtet wurden, was numerisch an drei Gitterauflösungen studiert wird. Daraus folgt, dass eine angemessene Gitterauflösung in Strömungsrichtung für eine genaue Wiedergabe des Stoß-Buffet vital ist. Das Ende der Arbeit enthält Erweiterungen des adaptiven Strömungslösers für die dreidimensionale Strömungssimulation und auch erste Ergebnisse aus Berechnungen mit der vorhandenen Computerausstattung.

The work deals with enhancing the capabilities of the unstructured adaptive Finite Volume flow solver QUADFLOW for compressible fluid flow. The solver exists as an integrated tool with multiscale based grid adaptation and B-spline based quadrilateral/hexahedral multi-block grid generation modules. Due to hanging nodes introduced through grid adaptation, data structure is cell face based. Upwind methods are implemented for flux discretisation in combination with explicit time integration as well as implicit temporal discretisation using Newton linearisation and Krylov subspace method. In the thesis, a preconditioner based on the formulation of Weiss and Smith is implemented for simulating inviscid and viscous flows at low Mach number over airfoils in cruise as well as high lift configurations. The results demonstrate the achievement of Mach number independent lift and drag coefficients (D'Alembert's paradox) and have an excellent agreement with results available in the literature. The wall distance for the turbulence modelling in the presence of highly stretched, refined cells and hanging nodes close to the wall is correctly estimated using vector algebra. With this formulation, the wriggles in the skin friction distribution due to grid adaptation are avoided. Detached Eddy formulation based on the Spalart-Allmaras turbulence model is shown to be effective together with the grid adaptation and demonstrated to have excellent stall capturing characteristics for high lift configurations. A second order accurate, geometrically conservative implicit scheme, based on Backward Difference discretisation is formulated, implemented and validated to simulate the unsteady inviscid flow over the pitching NACA0012 profile. The method shows an advantage over the existing Mid-point scheme allowing relatively higher time steps and higher global CFL numbers during the simulation. The non-linear multigrid method based on the Full Approximation Storage scheme with V-cycle is implemented to improve the convergence behaviour of the explicit scheme in solving inviscid flow problems. The coarsening is based on the hierarchical agglomeration strategy to combine the fine cells belonging to the identical parent cell at the same level to generate a series of coarse grid levels. The restriction operator is based on the volume weightiness and the prolongation operation is carried out using the upwind scheme. The implementations in the solver are extensively validated using results from available experiments and numerical solutions existing in the literature. Fully turbulent flow computations at different free stream Mach numbers and Reynolds numbers are carried out and compared with data obtained from the KRG experiments conducted in Goettingen on behalf of SFB 401, including some tests where strong shock-boundary layer interaction with buffet was observed. These are studied at three different grid resolutions. It is concluded that the adequate resolution of the grid cells along the stream-wise direction is vital in accurately resolving the flow physics in shock buffet. Furthermore, code extensions are carried out to offer the capability to the adaptive solver for simulating three-dimensional flow and some first computations are performed with the available computational power.

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