Влияние численной диссипации на прогностическую точность LES моделирования на стенках (Тимофей Муха, ISPRASOPEN-2019)

Короткая ссылка: 20191206BC

Докладчик: Тимофей Муха

The effect of numerical dissipation on the predictive accuracy of wall-modelled large-eddy simulation is investigated via systematic simulations of fully-developed turbulent channel flow. A total of 16 simulations are conducted using the open-source computational fluid dynamics software OpenFOAM®. Four densities of the computational mesh are considered, with four simulations performed on each, in turn varying in the amount of numerical dissipation introduced by the numerical scheme used for interpolating the convective fluxes. The results are compared to publicly-available data from direct numerical simulation of the same flow. Computed error profiles of all the considered flow quantities are shown to vary monotonically with the amount of dissipation introduced by the numerical schemes.
As expected, increased dissipation leads to damping of high-frequency motions, which is clearly observed in the computed energy spectra. But it also results in increased energy of the large-scale motions, and a significant overprediction of the turbulent kinetic energy in the inner region of the boundary layer. On the other hand, dissipation benefits the accuracy of the mean velocity profile, which in turn improves the prediction of the wall shear stress given by the wall model.
Thus, in the current framework, the optimal choice for the dissipation of the numerical schemes may depend on the primary quantity of interest for the conducted simulation. With respect to the resolution of the grid, the change in the accuracy is much less predictable, and the optimal resolution depends on the considered quantity and the amount of dissipation introduced by the numerical schemes.

В данной работе систематически исследуется влияние численной диссипации на расчетную точность метода моделирования крупных вихрей с пристенным моделированием. С этой целью в свободном программном обеспечении OpenFOAM® было проведено шестнадцать расчетов развитого турбулентного течения в канале. Расчеты проведены на сетках четырех разных плотностей, по четыре расчета на каждой сетке, в каждом из которых, в свою очередь, установлен разный уровень численной диссипации посредством изменения интерполяционной схемы для конвективного переноса. Проведено сравнение результатов расчетов с данными прямого численного моделирования, находящимися в открытом доступе. Показано, что профили ошибки всех рассмотренных величин находятся в монотонной зависимости от объема численной диссипации.
Диссипация предсказуемо приводит к подавлению высокочастотных флуктуаций скорости. Кроме этого, она также приводит к увеличению энергии крупномасштабных флуктуаций и существенной переоценке уровня кинетической энергии турбулентности во внутреннем слое. Однако повышенный уровень диссипации приводит и к улучшению точности расчета средней скорости течения, что, в свою очередь, обеспечивает более точную оценку касательного напряжения на стенке пристенной моделью.
Таким образом, оптимальный уровень диссипации может зависеть от основной цели расчета. Эффект плотности расчетной сетки на точность расчета трудно предсказуем, и оптимальное значение плотности зависит как от рассматриваемой физической величины, так и от уровня диссипативности интерполяционных схем.