Kursplan för Turbulensmodellering

Kursplan är inte fastställd.

Kursöversikt

  • Engelskt namnTurbulence modeling
  • KurskodMTF271
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareMPAME
  • UtbildningsnivåAvancerad nivå
  • HuvudområdeMaskinteknik
  • InstitutionMEKANIK OCH MARITIMA VETENSKAPER
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Engelska
  • Anmälningskod 03117
  • Sökbar för utbytesstudenterJa

Poängfördelning

0120 Inlämningsuppgift, del A 1,5 hp
Betygsskala: UG		 1,5 hp
0220 Inlämningsuppgift, del B 1,5 hp
Betygsskala: UG		 1,5 hp
0320 Tentamen 4,5 hp
Betygsskala: TH		 4,5 hp

I program

Examinator

Behörighet

Grundläggande behörighet för avancerad nivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Engelska 6
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

MTF073 - Numerisk beräkning av strömning: finita volym-metoden (CFD) eller TME226 Strömningsmekanik, fortsättningskurs eller någon motsvarande kurs

Syfte

Syftet med kursen är att studenterna skall utveckla fördjupad kunskap och förståelse för moderna
avancerade turbulensmodeller för simulering av instabila flöden.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

  • redogöra för olika RANS turbulensmodeller såsom k-eps, k-omega, Reynolds spänningsmodell, algebraisk Reynolds spänningsmodell, V2F model, k-omega SST.
  • förstå och beskriva skillnaden mellan LES, RANS, URANS, DES och hybrid- LES-RANS.
  • ta fram de exakta transportekvationerna för turbulens med hjälp av tensornotation.
  • beskriva modellantaganden med hjälp av tensornotation i turbulensmodeller.
  • identifiera och tolka olika termer i turbulensmodeller.
  • förstå grundläggande maskininlärning.
  • beskriva skillnaden mellan upplösta och modellerade Reynoldsspänningar.
  • beskriva olika metoder för att hantera problem med LES nära väggar.
  • beskriva fördelarna med Reynoldsspänningsmodeller jämfört med virvelviskositetsmodeller.
  • härleda V2F modellen.
  • återge de olika rumsliga filterteknikerna i LES.
  • ta fram SGS-modeller med hjälp av tensornotation.
  • förstå och beskriva begreppet modellerad (exempelvis SGS) dissipation mellan upplösta och modellerade skalor.
  • beskriva metoden för att föreskriva instationära, fluktuerande inloppsrandvillkor.
  • kunna genomföra en simulering med en kommersiell CFD-kod.

Innehåll

Utvecklingen av datorer och Computational Fluid Dynamics (CFD) har gjort numerisk simulering av komplexa strömningsfall, förbränning, aero-akustik och värmeöverföringsproblem möjliga. Turbulent strömning i tredimensionella, komplexa geometrier kan hanteras - instationära eller stationära. Idag kan CFD-metoder ersätta eller komplettera många experimentella metoder, dvs. vi kan använda en numerisk vindtunnel i stället för en experimentell.

Idag utförs de flesta CFD-simuleringar med traditionella RANS-metoder (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). I RANS delar vi upp strömningsvariablerna i ett tidsmedelvärde och en turbulent fluktuation. Den senare är modellerad med en turbulensmodell såsom k-eps eller Reynoldsspänningsmodell. För många strömningsfall är det inte lämpligt att använda RANS, eftersom den turbulenta delen kan vara mycket stor och i samma storleksordning som den tidsmedelvärderade. Exempel är instationär strömning i allmänhet, med eller utan separation. För denna typ av strömning är det lämpligare att använda Large Eddy Simulation (LES). För att utvidga LES till höga Reynoldstal har man utvecklat nya metoder. Dessa kallas DES (Detached Eddy Simulation), URANS (Unsteady RANS) eller Hybrid LES-RANS. De är alla instationära metoder och de är en blandning av LES och RANS. I aeroakustik genereras ljudet av turbulens. Det bästa sättet att prediktera storskalig turbulens är att genomföra en instationär simulering av strömningsfältet (dvs. LES, DES, hybrid-LES-RANS eller URANS). Därefter predikteras ljudet med CAA (Computational Aero-akustik).

I LES, DES, URANS och Hybrid LES-RANS löser man upp den storskaliga delen av turbulensen med de diskretiserade ekvationerna medan den småskaliga turbulensen modelleras. Definitionen av ''storskalig'' varierar i de olika metoderna. Dessutom är gränsen mellan ''stor-'' och ''småskalig " ofta inte väldefinierad. Eftersom turbulensen är tredimensionell och instationär, betyder det att simuleringarna alltid måste utföras som tredimensionella, instationära simuleringar. 

Vi kommer att ta upp frågor som:
  • Hur ska jag göra mitt nät?
  • Varför ska man LES använda ett icke-dissipativt diskretiseringsschema?
  • Är det nödvändigt att använda centralt diskretiseringsschema i DES och URANS?
  • Vad är det för skillnad mellan LES och instationär RANS?
  • Vilka turbulensmodeller kan jag använda i DES och instationär RANS?
  • För att öka numerisk stabilitet, kan en turbulensmodell med hög dissipation användas?
  • Hur föreskriver jag inloppsrandvillkor?
  • Inloppsrandvillkor: kan jag använda stationära inloppsrandvillkor? Vilket är bäst, syntetiserad turbulens eller inloppsrandvillkor från en DNS?
I det första projektet kommer vi att lära oss att tolka resultat från en instationär simulering. Vi kommer också att använda maskininlärning för att förbättra en turbulensmodell.

När man gör en LES-URANS/DES-simulering, måste man ställa liknande frågor som när man gör mätningar:
  • När är strömningen fullt utvecklad så att jag kan börja tidsmedelvärdera?
  • Hur länge behöver jag tidsmedelvärdera?
  • Är det tillräckligt om jag får ett noggrannt medelhastighetsfält eller behöver jag också noggranna upplösta turbulenta spänningar ?
  • Hur gör jag för att uppskatta kvaliteten på min LES eller hybrid LES-RANS? Spectra? 2-punktskorrelationer? SGS-dissipation?

Den viktigaste nackdelen/flaskhalsen i LES är kravet att använda ett mycket fint rutnät nära väggarna. Rutnätet skall vara fint i alla riktningar, inte bara i riktningen normalt mot väggen. En stor del av forskningen om LES är idag fokuserad på att ta sig runt denna flaskhals. Ett sätt är hybrid-LES-RANS-metoden. I denna metod används RANS nära väggar och LES används i den återstående delen av domänen.


För mer information

Föreläsare hemsida

 

Organisation

11 förinspelade föreläsningar finns på Canvas.

Det kommer att hållas fem diskussionsseminarier under föreläsningar på Campus.

  • Studenterna kommer att anmäla sig i grupper (8-10 i varje
  • Varje diskussionsseminarium tar 45 minuter.

Två uppgifter (Uppgift 1 och Uppgift 2a och 2b) ska utföras av studenterna. Studenterna kommer att handledas på Campus. Studenterna kan använda
Både Octave och Python är programvara med öppen källkod. Många stora svenska industrier föredrar att ingenjörer använder Python istället för Matlab på grund av Matlabs höga licensavgifter. För Uppgift 2b är endast Python-skript tillgängliga.


Två projekt ska genomföras av studenterna.

1. I den första delen av Uppgift 1 kommer eleverna att få data från en numerisk simulering (LES eller DNS). Data kommer att vara
tvådimensionella, tidsmedelvärderas hastigheter (återcirkulerande strömning) och tryckfält, Reynolds-spänningar och (SGS) dissipation. Data kommer att analyseras.

Vi kommer att börja analysera transportekvationerna för de turbulenta Reynolds-spänningarna, u_iu_j. Vi identifierar regioner med stora
produktionstermer, som bör motsvara regioner med stora Reynolds-spänningar. Reynolds spänningarna kommer att beräknas med hjälp av antagande om turbulent viskositet, och dessa kommer att jämföras med deras exakta motsvarigheter.


I den andra delen av Uppgift 1 ska eleverna använda Machine Learning och försöka förbättra turbulensmodeller. Det första försöket kan vara
att förbättra standard k-eps-modellen genom att optimera C_mu-koefficienten. Influensparametrar kan vara hastighetsgradienter
(koordinatinvariant) och/eller den turbulenta tidsskalan, k/ε, båda funktionerna av x och y. Utdataparametern kommer att vara C_mu = C_mu
(x,y). För mer information, se Kursplan

2. I uppgift 2 kommer eleverna att få flödesfält av kanalflöde vid högt Reynolds-tal och flödet över en puckel. Båda flödena har erhållits
med PANS/DES/IDDES. Dessa flöden kommer att analyseras med olika modelleringsantaganden såsom DES, DDES, PANS och SAS. För mer
information, se Uppgift 2

Litteratur

E-bok som kan laddas ner från kurshemsidan.

Examination inklusive obligatoriska moment

Betyg. underkänd, godkänd; betyg 4; årskurs 5

  • Del 1: Två inlämningsuppgifter inklusive skriftliga presentationer. Denna del är obligatorisk.
  • Del 2: Diskussionsseminarier. Denna del är inte obligatorisk.
  • Del 3: Muntlig tentamen är obligatorisk.
  • Muntlig tentamen utifrån frågorna i Diskussionsseminarierna och Uppgifterna. Lärarna kommer också att ställa följdfrågor. Där försöker vi testa om eleven har förstått ämnet eller om han/hon har memorerat det. En god förståelse ger betyg 4 eller 5. Två elever åt gången.
  • För att få betyget 'godkänd' måste du ha   den muntliga tentamen och få godkänt på de två inlämningsrapporterna

Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om riktat pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.