شبيه سازي گردابه هاي بزرگ جريان حول پله نامحدود با استفاده از الگوريتم عددي مرتبه بالا

Large Eddy Simulation of the Flow Over non-confined Backward Facing Step Using High Order Compact Finite Difference Schemes

در مطالعه حاضر، جريان سه بعدي، غير دايم و آشفته حول پله نامحدود با روش شبيه سازي گردابه هاي بزرگ به صورت عددي حل شده است. با توجه به قابليت مناسب روش تفاضلي فشرده در حل عددي مرتبه بالاي جريان تراكم پذير، از اين روش براي حل معادلات فيلترشده ناوير- استوكس در مختصات جامع منحني لخط در يك شبكه سازمان يافته چند بلوكي استفاده شده است. به منظور بررسي اثر مدل سازي تنش زير شبكه، از مدل اسماگورينسكي، مدل ويسكوزيته انرژي سينماتيك تعميم يافته (MKEV)، مدل اسماگورينسكي ديناميكي (DSM) و مدل ادي- ويسكوزيته موضعي تطبيق يافته با ديواره (WALE) استفاده شده است. نتايج عددي دربرگيرنده مشخصات عمومي جريان حول پله معكوس، اعم از طول ناحيه جدا شده پشت پله، ضريب اصطكاك، ضريب فشار، پروفيل سرعت متوسط (در جهت جريان اصلي و عمود بر آن) و تنشهاي رينولدز است. نتايج شبيه سازي گردابه هاي بزرگ در مطالعه فعلي با نتايج آزمايشگاهي و نتايج شبيه سازي مستقيم و شبيه سازي گردابه هاي بزرگ چاپ شده در ساير مراجع مقايسه شده و انطباق بسيار مناسب مشاهده گرديد. نتايج نشان مي دهد كه مدل هاي DSM و WALE، مشخصات و جلوه هاي جريان روي پله را با دقت بيشتري (با دقتي نزديك به شبيه سازي عددي مستقيم ارايه شده در مراجع) نسبت به مدل و MKEV پيش بيني كرده اند.

In the present study, large eddy simulation of unsteady, three-dimensional and turbulent flow over non-confined backward facing step (BFS) is numerically conducted. Due to the capability of the compact differential scheme in high-order solution of the compressible flow, this method is used to solve the filtered Navier-Stokes equations in the generalized curvilinear coordinate using a multi-block structured grid. To study the influence of the sub-grid scale (SGS) stress model, the Smagorinsky model, the MKEV model, the dynamic Smagorinsky model (DSM), and the WALE model are considered. The numerical results include the general characteristics of the flow over BFS such as the reattachment length, friction and pressure coefficients, the mean velocity and the Reynolds stresses. Moreover, the present LES results are compared with the available experimental data and DNS, LES and RANS results and a very good agreement is achieved. Moreover, the obtained results using the DSM and WALE models give a better agreement with the DNS and experimental data than those by Smagorinsky and MKEV models.