Contribution to the development of implicit large eddy simulations methods for compressible turbulent flows

Abstract

Bu çalışmada scramjet motorlarına özgü yüksek hızda, türbulanslı, tepkimesiz veya tepkimeli, es-hava akısında H2 jeti icin uygulanan Büyük Girdap Benzetimi ve Zımni Büyük Girdap Benzetimi (BGB ve ZBGB) metodlarının karsılastırılması amaclanmaktadır. Sayısal simülasyonlar, 5. seviye WENO semasını kullanarak, 32×32×128 , 256×256×1024 arasında degisen çözünürlüklerde yapılmıstır. Fiziksel BGB, Smagorinsky ve Secici Yapısal Fonksiyonu modelleriyle bilikte moleküler difüzyon uygulanılarak yansıtılmaktadır. BGB, moleküler difüzyon eklenip cıkarılarak elde edilen Navier-Stokes veya Euler denklemleri cozülerek yapılmıstır. Tepkimesiz durumda, Smagorinsky modeli cok tüketimlidir. Secici Yapısal Fonksiyonu daha iyi sonuclar vermektadir, ancak ZBGB ile karsılastırıldıgında, ag cozünürlügü ne olursa olsun herhangi bir üstünlük göstermez. Tepkimeli durumda, ZBGB yaklasımı icin reaksiyon bölgesinde fiziksel bir et kalınlıgı ve ag yakınsaması saglayan moleküler viskozite zorunludur. Ayrıca, BGB ve ZBGB metodlarının giris sartlarına RANS yaklasımına görece daha az duyarlı oldugu görülmüstür. Ilk bölümde, bu calısma baglaminda bir giris yapılmaktadır. Ikinci bölümde, cok türlü tepkimeli akısları temsil eden denklemler, termodinamik ve tasıma modelleri üzerinde durularak sunulmustur. Ucüncü bölümde, fiziksel BGB denklemler ve ag-altı modelleme stratejileri ayrıntılıolarak verilmektedir. Sayısal düzeni bazı özellikleri de incelenmistir. Dördüncü bölümde, sayısal sema ve cözücünün bazı yönleri acıklanmıstır. Son olarak, olmayan tepki ve sayısal deneyler tepki sunulmaktadır ve sonucları tartısılmaktadır.

This work is intended to compare Large Eddy Simulation and Implicit Large Eddy Simulation (LES and ILES) for a turbulent, non-reacting or reacting high speed H2 jet in co-flowing air, typical of scramjet engines. Numerical simulations are performed at resolutions ranging from 32×32×128 to 256×256×1024, using a 5th order WENO scheme. Physical LES are carried out with the Smagorinsky and the Selective Structure Function models associated to molecular diffusion. Implicit LES are performed with and without molecular diffusion, by solving either the Navier-Stokes or the Euler equations. In the nonreacting case, the Smagorinsky model is too dissipative. The Selective Structure Function leads to better results, but does not show any superiority compared to ILES, whatever the grid resolution. In the reacting case, a molecular viscous cut-off in the simulation is mandatory to set a physical width for the reaction zone in the ILES approach, hence to achieve grid-convergence. It is also found that ILES/LES are less sensitive to the inlet conditions than the RANS approach. The first chapter is an introduction to the context of this study. In the second chapter, the governing equations for multispecies reacting flows are presented, with emphasis on the thermodynamic and transport models. In the third chapter, physical LES equations and explicit sub-grid modeling strategies are detailed. Some properties of the numerical scheme are also investigated. In chapter four, the numerical scheme and some aspects of the solver are explained. Finally, non-reacting and reacting numerical experiments are presented and the results are discussed.