Efeito da modelagem submalha em simulações de grandes escalas de jatos coaxiais turbulentos

Abstract

A simulação acurada de escoamentos turbulentos de interesse prático, com custo computacional acessível, ainda é um grande desafio. Simulações de Grandes Escalas (SGE) (Large Eddy Simulation - LES ) é uma técnica eficiente baseada na eliminação das escalas do escoamento menores do que um comprimento característico e na resolução direta do escoamento nas maiores escalas. Para a descrição do efeito da turbulência nas pequenas escalas, existe uma variedade de modelos submalha disponíveis na literatura, com diferentes níveis de complexidade e custo computacional associados. Embora muitos avanços tenham sido logrados desde o desenvolvimento da técnica LES, não há ainda consenso sobre um modelo submalha definitivo para uso genérico em aplicações de engenharia. A análise do desempenho dos modelos existentes é uma etapa importante no desenvolvimento de novos códigos para LES e sua aplicação em problemas de interesse. Neste sentido, o objetivo principal desta tese foi analisar o efeito da modelagem submalha em Simulações de grandes escalas de jatos coaxiais turbulentos. Foi desenvolvido um solver para execução em arquitetura híbrida (CPU-GPU), capaz de empregar diferentes modelos submalha (modelos de Smagorinsky, Dinâmico de Germano e Função Estrutura de Velocidade). A avaliação do efeito da modelagem submalha se deu através da comparação de resultados de simulações realizadas para um problema teste (utilizando os modelos acima) com dados experimentais da literatura. Para o modelo de Smagorinsky, buscou-se determinar primeiramente o valor ideal da sua constante ad-hoc para o problema estudado. Os resultados obtidos mostram que os modelos levam a diferentes predições para propriedades médias e flutuações no escoamento, apresentando variados graus de acurácia. Os melhores resultados foram encontrados com o modelo de Smagorinsky, mostrando que nem sempre o modelo mais complexo produz melhores resultados, e que modelos mais simples têm condições de produzir resultados de ótima qualidade para o problema em questão, quando adequadamente calibrados.

The accurate simulations of turbulent flows of practical interest with accessible computational cost is still a great challenge. Large Eddy Simulation (LES) is an efficient technique based on the elimination of flow scales smaller than a characteristic length and on the direct resolution of flow on the largest scales. For the description of the effect of turbulence in small scales, there is a variety of subgrid models available in the literature, with different levels of complexity and associated computational cost. Although many advances have been achieved since the development of the LES technique, there is still no consensus on a definitive subgrid model for generic use in engineering applications. The performance analysis of the existing models is an important step in the development of new LES codes and their application in problems of interest. In this sense, the main objective of this thesis was to analyze the effect of subgrid modeling in large eddy simulation of turbulent coaxial jets. A solver was developed for execution in a hybrid architecture (CPU-GPU), capable of employing different subgrid models (Smagorinsky, Dynamic of Germano and Velocity Structure Functions). The evaluation of the effect of subgrid modeling was done by comparing the results of simulations performed for a test problem (using the models above) with experimental data from the literature. For the Smagorinsky model, we first determine the ideal value of its ad-hoc constant for the problem studied. The obtained results show that the models lead to different predictions for average properties and flow fluctuations, presenting varying degrees of accuracy. The best results were found with the Smagorinsky model, showing that the more complex model does not always produce the best results, and that simpler models are able to produce excellent quality results for a given problem, when properly calibrated.