https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16192
File | Description | Size | Format | |
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bernardocoelhodealmeidaresende.pdf | 2.72 MB | Adobe PDF | View/Open |
Type: | Dissertação |
Title: | Métodos de elementos finitos híbridos para modelos RANS de turbulência |
Author: | Resende, Bernardo Coelho de Almeida |
First Advisor: | Igreja, Iury Higor Aguiar da |
Referee Member: | Quinelato, Thiago de Oliveira |
Referee Member: | Camata, José Jerônimo |
Resumo: | Este trabalho estuda formulações de elementos finitos híbridos para escoamentos turbulentos modelados por um sistema de equações diferenciais parciais regido pela combinação das equações médias de Navier-Stokes, conhecidas como RANS, com os modelos de turbulência. Este sistema apresenta uma série de dificuldades numéricas de resolução, dentre elas destacamos a predominância dos efeitos convectivos, não linearidade das equações e elevado custo computacional dependendo da estratégia de aproximação. Buscando contornar estas dificuldades, desenvolvemos uma estratégia de resolução que emprega métodos híbridos para a discretização espacial tanto para as equações RANS quanto para os modelos de turbulência. Nesta estratégia, utilizamos esquemas upwind e de captura de descontinuidade para mitigar os efeitos predominantemente convectivos e os métodos de Newton e Picard para linearização das equações. Assim, a formulação híbrida resultante da discretização no espaço é integrada no tempo usando um método implícito de primeira ordem. Além disso, aproximações contínuas são utilizadas para a montagem do sistema global com o intuito de reduzir o custo computacional das simulações. Neste contexto, são simulados problemas clássicos de turbulência como jato plano, degrau descendente e aerofólio utilizando os modelos de turbulência k-ε Padrão e os propostos por Launder-Sharma e Chien e também o modelo de uma equação de Spalart-Allmaras. Em todos os casos simulados, a metodologia de resolução proposta é extensivamente testada e validada por dados experimentais e/ou por soluções numéricas obtidas pelo simulador livre OpenFOAM. Os resultados para o modelo k-ε demonstram uma boa concordância entre o método híbrido, as aproximações do OpenFOAM e os dados da literatura. No caso do modelo Spalart-Allmaras, com exceção do aerofólio onde são observados resultados comparativamente próximos, os resultados obtidos pela formulação híbrida estão em excelente concordância com o OpenFOAM. |
Abstract: | This work explores hybrid finite element formulations for turbulent flows modeled by a system of partial differential equations governed by the combination of ReynoldsAveraged Navier-Stokes (RANS) equations with turbulence models. This system entails numerical challenges due to convective effects, nonlinearity, and high computational cost. To overcome these difficulties, we’ve devised a strategy employing hybrid finite element methods for RANS and turbulence models, using upwind and discontinuity-capturing schemes to counter convective effects and Newton and Picard methods for linearization. Thus, the resulting hybrid formulation is time-integrated using a first-order implicit method, while continuous for the Lagrange multiplier reduces computational expenses during global system assembly. In this context, classical turbulence flow problems such as plane jet, backward-facing step, and flow around an airfoil are simulated using the Standard k-ε models, as well as those proposed by Launder-Sharma and Chien and the one-equation Spalart-Allmaras model. The proposed solver methodology is extensively tested and validated against experimental data and/or numerical solutions from the open-source OpenFOAM software. The results for the k-ε model show a good agreement between the hybrid method, OpenFOAM approximations, and literature data. In the case of the Spalart-Allmaras model, except for the airfoil where relatively close results are observed, the approximations obtained by the hybrid formulation are in excellent agreement with the ones from OpenFOAM. |
Keywords: | Método de elementos finitos Método híbrido Modelagem da turbulência RANS Modelo k-ε Modelo spalart-allmaras Finite element method Hybrid method Turbulence modeling Spalart-allmaras model |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) |
Institution Initials: | UFJF |
Department: | ICE – Instituto de Ciências Exatas |
Program: | Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional |
Access Type: | Acesso Aberto Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil |
Creative Commons License: | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16192 |
Issue Date: | 30-Aug-2023 |
Appears in Collections: | Mestrado em Modelagem Computacional (Dissertações) |
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