公開資料(PDFファイル)

壁面乱流特性スケールを反映した接続関数の導入
によるLES/RANSハイブリッドモデルの高性能化
九州大学大学院
工学研究院航空宇宙工学部門
安倍賢一
2015年4月24日
1
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
背景
 Large eddy simulation (LES) is a useful way to
predict turbulence and turbulent scalar transfer.
 Recent development of computer power allows us
to do LES for several turbulent flows of
engineering interest.
 However, there still remains a serious difficulty in
its application to high Reynolds-number complex
turbulent flows.
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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典型的な例
2D section
3D configuration
2015年4月24日
Typical 3D grid distribution
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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スパン方向格子解像度不足の影響
High-Re flow around
airfoil
(Away from the wall)
Large scale eddies can be
resolved with grid spacing.
y
(Close to the wall)
Due to coarse resolution in
z-direction, no eddy can be
resolved with grid spacing.
(Large No Eddy Simulation)
z
(Enough resolution in the wall-normal (y) direction)
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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格子解像度不足の場合の従来のLESの結果
Nodes:
61 61 61
Domain:
6  1.5
Resolution:
z   250
Considerable underprediction of wall-shear stress is obtained.
2015年4月24日
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解決すべき主要な３つの課題
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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基礎方程式
Filtered governing equations for incompressible flow
Subgrid-scale (SGS) stress tensor
2015年4月24日
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LESの改善（SGSモデルの高精度化）（1/2）
【New anisotropic SGS model】
2
2
/3,
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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LESの改善（SGSモデルの高精度化）（2/2）
【1-Eq. EVM by Inagaki (IJHFF, 2011)】
⁄
⁄
⁄
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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LESの改善例（低格子解像度）
Anisotropic SGS model with
no transport equation for
Anisotropic one-equation SGS model
 The predictive performance is largely improved by one-equation SGS model.
Reasonable predictions of mean velocity are obtained for all grid resolutions.
 This may indicate that the transport equation for
successfully works to
determine a reasonable level of the SGS turbulence energy.
2015年4月24日
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LESの改善例（高レイノルズ数）
高レイノルズ数のかなり粗い格子解像度のケースでも，本非等方SGSモデルを
用いると適切に普遍速度分布を再現できる．
2015年4月24日
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ハイブリッドLES/RANS（HLR）モデル
Governing Equation
LES zone
Transition zone
RANS zone
wall
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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HLRモデルの改善
【新しい非等方SGSモデルを導入してLESの領域を拡大】
 LES/RANSハイブリッドモデル(HLR)の基本モデルはAbe⁽*⁾を利用する
 ij  (1  f )ui u j ( RANS )  f  ij ( LES )
hb
接続関数：
hb
Chb: 4 → 1
n : 壁からの距離
  max( x  y ,  y  z ,  z  x )
さらに、LESのSGSモデルには非等方SGSモデル⁽**⁾を導入する
: Extra Anisotropic Term
(*)Abe,K. Int.J.Heat Fluid Flow，26，p204‐222，2005
(**) Abe, K. Int. J. Heat Fluid Flow 39, 42–52 ,2013
2015年4月24日
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先駆的科学計算に関するフォーラム2015
HLRモデルの改善例（非等方項の効果）
HLR without EAT
HLR with EAT
LES with EAT
•
従来の等方SGSモデルでは，このパラメータの組合せではダブルバッファが現れる．
•
非等方SGSモデルにすると，壁から離れた領域の予測精度が改善される．
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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HLRモデルの改善例（ハイブリッドの効果）
HLR with EAT
25
HLR without EAT
20
U⁺
15
LES with EAT
10
HLR 付加項あり dx+=400,dz+=240
5
HLR 付加項なし dx+=400,dz+=240
LES dx+=400,dz+=240
DNS
0
1
10
100
1000
y⁺
•
格子解像度が極端に粗い場合，LESのままでは非等方SGSモデルを用いても対応は困難．
•
HLRにすることにより改善（ただし，主要な領域はすべてRANSでカバーされている）．
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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HLRモデルの領域分割で残されている課題
• 従来の手法では細かい格子解像度でも必ず壁面近傍でRANSが採用される（左図赤丸）．
• 格子解像度が十分な場合は全領域でLESを適用することが望ましい（右図）．
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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新しい接続関数用パラメータの提案
【従来の接続関数】
壁からの距離)
【今回新しく提案する接続関数】
: 壁からの距離の代わりに導入する
物理的な特徴を反映した長さスケール)
⁄
1
⁄
•
壁から離れた領域：
•
壁面近傍の領域：
2015年4月24日
∝
∝
exp
⁄
(壁からの距離)
⁄
⁄
0 (コロモゴロフマイクロスケール)
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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レイノルズ数や格子解像度が与える影響
同格子幅でレイノルズ数が
の分布に与える影響
2015年4月24日
同レイノルズ数で格子解像度が
の分布に与える影響
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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従来モデルと新しいモデルの比較
•
•
格子解像度が低い場合は従来モデルと同様の接続特性を示す．
格子解像度が高い場合は壁面近傍もLES（ ~1）になる．
2015年4月24日
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先駆的科学計算に関するフォーラム2015
テストケース
Plane channel flow,
Case
Grid numbers
∆
Domain
∆
C395A
65
98
65
6.4
2
3.2
40
20
C395B
33
98
33
6.4
2
3.2
79
40
C395C
17
98
17
6.4
2
3.2
158
79
C395D
17
98
17
9.6
2
4.8
237
119
C395E
17
98
17
16
2
8
395
198
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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従来の接続関数を用いた結果
接続関数
の分布
平均速度分布
•
最も格子解像度が高いケース（赤色）では通常LESが十分可能であると思われるが，
従来の接続関数では壁面近傍でRANS （ ~0）になる．
•
最も格子解像度が高いケース（赤色）では，HLRにより予測精度が低下している．
2015年4月24日
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先駆的科学計算に関するフォーラム2015
新しい接続関数を用いた結果
接続関数
の分布
平均速度分布
•
最も格子解像度が高いケース（赤色）では，新しい接続関数を用いると領域全体で
LES （ ~1）になる．
•
最も格子解像度が高いケース（赤色）でも予測精度が維持されている（全域LES）．
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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摩擦係数の予測精度の検証
A
B
C
D
E
何れのケースも摩擦係数の誤差は±7%以下である．
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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レイノルズせん断応力と乱流エネルギー
レイノルズせん断応力（全体）
レイノルズせん断応力（モデル部分）
乱流エネルギー（全体）
乱流エネルギー（モデル部分）
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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結論
 An effective switching parameter was newly proposed for an
advanced HLR model. This switching parameter introduced
knowledge of the Kolmogorov microscale that is thought to be
reasonable for representing near-wall turbulence.
 In contrast with most previous models, the present HLR model
is smoothly replaced by a full LES if a grid resolution is fine
enough in the near-wall region.
 Furthermore, the present HLR model adopted an anisotropy-
resolving SGS model in the LES region. By using this SGS
model, the present HLR model can successfully cover a much
wider range of flow domain by LES compared with the model
previously proposed by our group.
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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主な成果（英文ジャーナル，国際会議）
Ken-ichi ABE, "An Advanced Switching Parameter for a Hybrid LES/RANS Model
Considering the Characteristics of Near-Wall Turbulent Length Scales", Theoretical and
Computational Fluid Dynamics, Vol. 28, pp. 499-519 (DOI: 10.1007/s00162-014-0328-3),
2014
Ken-ichi ABE and Tadashi OHTSUKA, "On the Effect of an Anisotropy-Resolving SubgridScale Model on Turbulent Vortex Motions", Proceeding of 10th International ERCOFTAC
Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements, Marbella, CDROM, 2014
Ken-ichi ABE, "Progress of an Anisotropy-Resolving Subgrid-Scale Model for Predicting
Near-Wall Turbulence under Coarse Grid-Resolution Conditions", To be presented as a
Keynote Speaker in Proceedings of the Asian Symposium on Computational Heat
Transfer and Fluid Flow-2015, Seoul, CD-ROM, 2015
Masataka Takahashi, Hisashi KIHARA and Ken-ichi ABE, "Performance of an AnisotropyResolving Subgrid-Scale Model for Adverse Pressure-Gradient Boundary-Layer Flow", To
be presented in Proceedings of the Asian Symposium on Computational Heat Transfer
and Fluid Flow-2015, Busan, CD-ROM, 2015
2015年4月24日
先駆的科学計算に関するフォーラム2015
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