Metodología de mallado para simulaciones numéricas de flujos turbulentos a bajo costo computacional

Abstract

En este trabajo de investigación se construyeron mallas computacionales estructuradas paramétricas, para la solución numérica de dos casos de flujo turbulento. El propósito principal de este trabajo fue analizar la influencia de ciertos parámetros de mallado, en la predicción numérica de variables de flujo turbulento. Para ello se llevaron a cabo simulaciones UDNS con mallas de bajo costo computacional, las cuales fueron definidas a partir de parámetros de mallado tales como: tamaños de malla, relaciones de aspecto y secciones de refinamiento. El primer caso seleccionado consistió en un chorro circular supersónico expulsado de una tobera, para flujo compresible; y el segundo caso de interés se fundamentó en un flujo interno a través de un canal con un cambio de sección abrupto, para flujo incompresible. Se analizaron estadísticas de turbulencia de primer y segundo orden obtenidas con experimentos numéricos realizados usando diferentes topologías de malla. Los resultados fueron validados con datos experimentales y resultados numéricos LES y DNS reportados por otros investigadores. Se encontró que mediante el ajuste paramétrico de mallado, es posible obtener discretizaciones espaciales de bajo costo computacional pero que permiten la predicción de las características de flujos turbulentos, sin la necesidad de recurrir a modelos de turbulencia explícitos. Los resultados muestran que, en efecto, aunque no se alcanzan los niveles de precisión numérica de enfoques DNS, es posible tener predicciones comparables con aquellas dadas por tales enfoques numéricos de alta precisión. (Texto tomado de la fuente)

In this research work, parametric structured computational grids were constructed for the numerical solution of two turbulent flow cases. The main purpose of this work was to analyze the influence of certain meshing parameters in the numerical prediction of turbulent flow variables. For this purpose, UDNS simulations were carried out with low computational cost meshes, which were defined from meshing parameters such as: mesh sizes, aspect ratios and refinement sections. The first case selected consisted of a supersonic circular jet ejected from a nozzle, for compressible flow; and the second case of interest was based on an internal flow through a channel with an abrupt section change, for incompressible flow. First and second order turbulence statistics obtained from numerical experiments using different mesh topologies were analyzed. The results were validated with experimental data and numerical LES and DNS results reported by other researchers. It was found that by means of parametric mesh adjustment, it is possible to obtain spatial discretizations of low computational cost but which allow the prediction of turbulent flow characteristics, without the need to resort to explicit turbulence models. The results show that, indeed, although the numerical accuracy levels of DNS approaches are not reached, it is possible to have predictions comparable to those given by such high-accuracy numerical approaches.