×

使用高阶有限差分谱消失粘度方法对重力流进行高精度模拟。 (英语) Zbl 1521.76538号

小结:这项数值工作研究了高阶有限差分光谱消失粘度方法在高雷诺数下模拟重力流的潜力。该方法通过改变不可压缩Navier-Stokes方程中粘性项的二阶导数的离散化,在小尺度上引入有针对性的数值耗散,以模拟最初设计用于调节谱元方法(SEM)的谱消失粘度(SVV)算子纯平流问题的解。使用一个六阶精确的有限差分格式,SVV方法的采用是简单的,并且附加的计算成本可以忽略不计。为了评估这种高阶有限差分谱消失粘度方法的能力,我们使用我们的SVV模型和著名的显式静态和动态Smagorinsky子网格尺度(SGS)模型对沟道化锁交换装置中的重力流进行了大涡模拟。将获得的数据与基于8亿多网格节点的直接数值模拟(DNS)和实验测量进行了比较。引入了能量预算框架来研究重力流的行为。首先,发现DNS与实验数据在重力流前沿位置和速度场的演化以及重力流内部的搅拌和混合方面吻合良好。其次,与DNS相比,使用不到总网格节点数0.4%的网格节点执行的LES可以重现重力流的主要特征,而SVV模型的结果稍微更准确。研究还发现,动态Smagorinsky模型的性能优于静态模型。对于本研究,静态和动态Smagorinsky模型的成本是SVV模型的1.8倍和2.5倍,因为后者不需要计算Navier-Stokes方程中的显式SGS项,也不需要进行空间滤波操作。

MSC公司:

76M20码 有限差分方法在流体力学问题中的应用
2006年6月65日 含偏微分方程初值和初边值问题的有限差分方法
76层65 湍流的直接数值模拟和大涡模拟
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] Allen,J.,《物理沉积学原理》(2012),Springer Science&Business Media
[2] 亚美尼亚五世。;Sarkar,S.,《使用大涡模拟研究稳定分层湍流通道流》,《流体力学杂志》,459,1-42(2002)·Zbl 1022.76027号
[3] 巴托洛缪,P。;Deskos,G。;Frantz,R.A。;舒赫,F.N。;兰巴拉斯,E。;Laizet,S.,Xcompact3D:解决直角网格上湍流问题的开源框架,SoftwareX,12100550(2020)
[4] 巴托洛缪,P。;Laizet,S.,《一种新的高度可扩展、高阶精度变密度流框架:应用于非Boussinesq重力流》,《计算物理通讯》,24283-94(2019)·Zbl 07674801号
[5] Bonnecaze,R。;Huppert,H。;李斯特,J.,《颗粒驱动重力流》,《流体力学杂志》,250,339-369(1993)
[6] Bonometi,T。;Balachandar,S.,施密特数对密度流结构和传播的影响,Theor Compute Fluid Dyn,22,5,341(2008)·Zbl 1178.76115号
[7] 鲍里斯,J。;格林斯坦,F。;奥兰,E。;Kolbe,R.,对大涡模拟的新见解,流体动力学研究,10,4-6,199-228(1992)
[8] 布里特·R。;Linden,P.,重力流沿斜坡向下流动的前端运动,《流体力学杂志》,99,3,531-543(1980)
[9] 布里特·R。;Simpson,J.,《重力流头部动力学实验》,《流体力学杂志》,88,223-240(1978)
[10] 坎特罗,M。;巴拉昌达尔,S。;Garcia,M.,圆柱形密度流的高分辨率模拟,《流体力学杂志》,590,437-469(2007)·Zbl 1141.76378号
[11] Cantero,M。;Lee,J。;巴拉昌达尔,S。;Garcia,M.,《关于重力流的前沿速度》,《流体力学杂志》,586,1-39(2007)·Zbl 1178.76135号
[12] 坎特罗,M.I。;巴拉昌达尔,S。;加西亚,M.H。;Bock,D.,平面重力流中的湍流结构及其对流动动力学的影响,《地球物理研究海洋杂志》,113,C8(2008)
[13] 卡努托,C。;侯赛尼,M.Y。;Quarteroni,A。;Thomas,A.,《流体动力学中的光谱方法》(2012),Springer Science&Business Media
[14] 塞鲁蒂,S。;Meneveau,C。;Knio,O.M.,《高雷诺数湍流中的光谱和超涡粘性》,《流体力学杂志》,421,307-338(2000)·Zbl 0958.76507号
[15] Chawdhary,S。;Khosronejad,A。;克里斯托杜鲁,G。;Sotiropoulos,F.,《倾斜河床上密度流的大涡模拟》,《国际热质转换杂志》,1201374-1385(2018)
[16] 霍利特,J.-P。;Lesieur,M.,利用谱闭包对小尺度三维各向同性湍流进行参数化,《大气科学杂志》,38,12,2747-2757(1981)
[17] Chow,F.K。;Moin,P.,《大涡模拟中数值误差的进一步研究》,《计算物理杂志》,184,2366-380(2003)·Zbl 1047.76034号
[18] Constantinescu,G.,锁交换组成重力流的LES:一些最新结果的简要回顾,环境流体力学,14,2,295-317(2014)
[19] Dairay,T。;弗图内,V。;兰巴拉斯,E。;Brizzi,L.,使用高阶数值格式研究湍流射流冲击加热壁的大涡模拟,《国际热流学杂志》,50,177-187(2014)
[20] Dairay,T。;兰巴拉斯,E。;Laizet,S。;Vassilicos,J.C.,大涡模拟的数值耗散与亚脊尺度建模,《计算物理杂志》,337,252-274(2017)·Zbl 1415.76394号
[21] De Falco,M。;生菜。;内格丽蒂,M。;Hopfinger,E.,《斜坡上流动的准静态重力流动力学》,Adv Water Resour,147103791(2021)
[22] De Falco,M。;Ottolenghi,L。;Adduce,C.,流向斜坡的重力流动力学及其对卷吸的影响,《水利工程杂志》,146,4,04020011(2020)
[23] de Rooij,F。;Dalziel,S.,浊流下沉积的时间和空间分辨率测量,Spec Publs Int Ass泥沙,31207-215(2001)
[24] Deskos,G。;Laizet,S。;Palacios,R.,WInc3D:风电场尾流相互作用湍流解析模拟的新框架,风能,23,3779-794(2020)
[25] Deskos,G。;Laizet,S。;Piggott,M.D.,风力涡轮机尾迹的湍流再解模拟,可再生能源,134989-1002(2019)
[26] Ellison,T.H。;Turner,J.S.,分层流中的湍流卷吸,流体力学杂志,6,3,423-448(1959)·Zbl 0086.40706号
[27] 艾玛米,S.-M.-K。;穆萨维,S.-F。;侯赛尼,K。;Fouladfar,H。;Mohammadian,M.,预测粘性流体-泥浆重力流传播的不同湍流模型的比较,Int J Deposit Res(2020)
[28] Espath,L.F.R。;平托,L.C。;Laizet,S。;Silvestrini,J.H.,《颗粒重力流的二维和三维直接数值模拟》,《计算地球科学》,63,9-16(2014)
[29] Espath,L.F.R。;平托,L.C。;Laizet,S。;Silvestrini,J.H.,叶和左构造的高精度模拟以及颗粒驱动重力流中的沉积图,《物理流体》,27,5,056604(2015)
[30] Falkovich,G.,发达湍流中的瓶颈现象,物理流体,6,4,1411-1414(1994)·Zbl 0865.76030号
[31] 拉福吉亚,G。;Tokyay,T。;Adduce,C。;Constantinescu,G.,《破碎内孤立波的数值研究》,Phys-Rev Fluids,3,10,104801(2018)
[32] 拉福吉亚,G。;Tokyay,T。;Adduce,C。;Constantinescu,G.,内部孤立波破碎的河床剪切应力和挟沙潜力,Adv Water Resour,135,103475(2020)
[33] 弗拉戈索,A.T。;Patterson,医学博士。;Wettlaufer,J.S.,《重力流中的混合》,《流体力学杂志》,734,R2(2013)·Zbl 1294.76014号
[34] Francisco,E.P。;Espath,L.F.R。;Laizet,S。;Silvestrini,J.H.,盆地中有限释放颗粒重力流的雷诺数和沉降速度影响,计算地球科学,110,1-9(2018)
[35] Germano,M。;Piomelli,美国。;莫因,P。;Cabot,W.H.,《动态亚脊尺度涡流粘度模型》,《物理流体A流体动力学》,3,7,1760-1765(1991)·Zbl 0825.76334号
[36] Ghosal,S.,《湍流大涡模拟中的数值误差分析》,《计算物理杂志》,125,1,187-206(1996)·Zbl 0848.76043号
[37] 格莱斯顿,C。;菲利普斯,J.C。;Sparks,R.S.J.,双分散恒容重力电流实验:传播和沉积。,沉积学,46,833-843(1998)
[38] Gonzalez-Juez,E。;梅伯格,E。;托凯,T。;Constantinescu,G.,《通过圆柱体的重力流:作用力、壁面剪应力和冲刷影响》,《流体力学杂志》,649,69-102(2010)·Zbl 1189.76151号
[39] Grinstein,F.F。;Fureby,C.,《从规范流到复杂流:单调积分LES的最新进展》,计算科学与工程,6,2,36-49(2004)
[40] 格兰迪,R。;Rottmant,J.W.,浅水方程的自相似解,代表具有可变流入量的重力流,《流体力学杂志》,169,337-351(1986)·Zbl 0623.76008号
[41] 海特尔,C。;克莱塞,L。;米肖,M。;Stein,C.,研究侵入锋的直接数值模拟方法,J Eng Math,32,2-3,103-120(1997)·Zbl 0910.76057号
[42] 海特尔,C。;梅伯格,E。;Necker,F.,重力流水头处流动的分析和直接数值模拟。第1部分:。滑移和无滑移边界的流动拓扑和前沿速度,《流体力学杂志》,418189-212(2000)·Zbl 0985.76042号
[43] 豪根,N.E.L。;Brandenburg,A.,《高粘度数值湍流中的惯性范围定标》,《物理评论E》,70026405(2004)
[44] Huppert,H。;Simpson,J.,《重力流的坍塌》,《流体力学杂志》,99(04),785-799(1980)
[45] Inghilesi,R。;Adduce,C。;伦巴第五世。;罗曼,F。;Armenio,V.,锁交换产生的轴对称三维重力流,流体力学杂志,851507-544(2018)
[46] 伊奥纳努,V。;Laizet,S.,用于增强混合的等离子体控制湍流射流的数值研究,国际热流杂志,70193-205(2018)
[47] Julien,P.,《侵蚀与沉积》(2010),剑桥大学出版社
[48] 卡拉马诺斯,G。;Karniadakis,G.E.,用于大规模模拟的光谱消失粘度法,《计算物理杂志》,163,1,22-50(2000)·Zbl 0984.76036号
[49] Kirby,R。;Karniadakis,G.,具有光谱消失粘度的粗分辨率湍流模拟-大涡模拟(SVV-LES),ASME流体工程杂志,124,4(2002)
[50] Kraichnan,R.H.,二维和三维涡流粘度,大气科学杂志,33,8,1521-1536(1976)
[51] 克拉夫琴科,A。;Moin,P.,《关于湍流大涡模拟中数值误差的影响》,《计算物理杂志》,131,2,310-322(1997)·Zbl 0872.76074号
[52] Kyrusi,F。;莱昂纳迪(A.Leonardi)。;罗曼,F。;亚美尼亚五世。;扎内洛,F。;Zodan,J.,锁交换重力流诱发泥沙夹带的大涡模拟,Adv Water Resour,114102-118(2018)
[53] 莱泽,S。;Lamballais,E.,不可压缩流的高阶紧致格式:一种具有准谱精度的简单有效的方法,J Comp Phys,2285989-6015(2009)·Zbl 1185.76823号
[54] Laizet,S。;Li,N.,Incompact3d:一个强大的工具,用于处理高达O(10^5)计算核心的湍流问题,国际J数值方法流体,671735-1757(2011)·Zbl 1419.76481号
[55] 兰巴拉斯,E。;财富,V。;Laizet,S.,直接和大涡模拟中通过粘性项的直接高阶数值耗散,J Comp Phys,230(9),3270-3275(2011)·Zbl 1316.76043号
[56] Lele,S.K.,具有光谱分辨率的紧凑有限差分格式,《复合物理杂志》,103,16-42(1992)·Zbl 0759.65006号
[57] Lesieur,M。;Metais,O.,《湍流大涡模拟的新趋势》,《流体力学年鉴》,28,1,45-82(1996)
[58] Lesieur,M。;Rogallo,R.,各向同性湍流中被动标量扩散的大涡模拟,《物理流体A流体动力学》,1,4718-722(1989)
[59] Lilly,D.K.,《数值模拟实验中小尺度湍流的表示》,IBM环境科学科学计算研讨会,195-210(1966),托马斯·沃森研究中心,约克敦
[60] Lilly,D.K.,《Germano亚脊尺度闭合方法的改进建议》,Phys Fluids A Fluid Dyn,4,3,633-635(1992)
[61] Lorenz,E.N.,《可用势能和一般循环的维持》,Tellus,7,2,157-167(1955)
[62] 卢切斯,L.V。;蒙特罗,L.R。;谢蒂尼,E.B.C。;Silvestrini,J.H.,利用演变沉积法直接数值模拟浊流,并考虑模拟过程中的地形更新,Compute Geosci,133,104306(2019)
[63] Mahdinia,M。;Firoozabadi,B。;Farshchi先生。;Varnamkhasti,A.G。;Afshin,H.,弯曲河道中锁交换流的大涡模拟,《水利工程杂志》,138,1,57-70(2011)
[64] 马丁,A。;内格丽蒂,M。;Ungarish,M。;Zemach,T.,持续供应的重力流头向下底坡的传播,Phys Rev Fluids,5,5,054801(2020)
[65] 马丁,A。;内格丽蒂,M.-E。;Hopfinger,E.J.,不同界面不稳定条件下斜坡上重力流的发展,《流体力学杂志》,880180-208(2019)·Zbl 1430.76005号
[66] 梅伯格,E。;拉达克里什南,S。;Nasr-Azadani,M.,《重力流和浊流建模:计算方法和挑战》,《应用力学评论》,67,4(2015)
[67] Meneveau,C。;Katz,J.,大涡模拟的尺度不变性和湍流模型,《流体力学年鉴》,32,1,1-32(2000)·Zbl 0988.76044号
[68] Meneveau,C。;Lund,T.S.,湍流粘性范围内的动态Smagorinsky模型和尺度相关系数,《物理流体》,9,12,3932-3934(1997)·Zbl 1178.76176号
[69] Meneveau,C。;伦德,T.S。;Cabot,W.H.,湍流的拉格朗日动力学亚脊尺度模型,流体力学杂志,319353-85(1996)·Zbl 0882.76029号
[70] 墨西哥梅塔伊斯。;Lesieur,M.,各向同性和稳定分层湍流的谱大涡模拟,《流体力学杂志》,239157-194(1992)·Zbl 0825.76272号
[71] Nasr-Azadani,M。;Meiburg,E.,《浑浊流与三维海底地形的相互作用》,《流体力学杂志》,745,409-443(2014)
[72] 内克尔,F。;哈特尔,C。;Kleiser,L.公司。;Meiburg,E.,颗粒驱动重力流的高分辨率模拟,《多相流国际期刊》,28,279-300(2002)·Zbl 1136.76590号
[73] 内克尔,F。;海特尔,C。;克莱塞,L。;Meiburg,E.,《颗粒驱动重力流中的混合和耗散》,《流体力学杂志》,545339-372(2005)·Zbl 1085.76559号
[74] 诺盖拉,H.I。;Adduce,C。;阿尔维斯,E。;Franca,M.J.,《重力流头部动力学》,环境流体力学,14,2,519-540(2014)
[75] Oezgoekmen,T.M.(奥兹戈克门,T.M.)。;伊利埃斯库,T。;Fischer,P.F.,三维锁交换系统中分层混合的大涡模拟,海洋模型,26,3-4,134-155(2009)
[76] Ooi,S.K。;Constantinescu,G。;韦伯,L.,锁交换组成重力流的数值模拟,《流体力学杂志》,635361-388(2009)·Zbl 1183.76707号
[77] Ottolenghi,L。;Adduce,C。;Inghilesi,R。;亚美尼亚五世。;Roman,F.,非稳定重力流中的夹带和混合,J Hydraul Res,54,541-557(2016)
[78] Ottolenghi,L。;Adduce,C。;Inghilesi,R。;罗曼,F。;Armenio,V.,在向斜坡上传播的释放重力流中的混合,《物理流体》,28,5,056604(2016)
[79] Ottolenghi,L。;Cenedese,C。;Adduce,C.,在旋转流体中沿粗糙倾斜底部流动的稠密水流中的卷吸,《物理与海洋杂志》,47,3,485-498(2017)
[80] 奥托伦吉。;Prestininzi,P。;蒙台梭利,A。;Adduce,C。;La Rocca,M.,《重力流的格子Boltzmann模拟》,《Eur J Mech-B/流体》,67,125-136(2018)·Zbl 1408.76418号
[81] Oh zgökmen,T.M。;伊利埃斯库,T。;Fischer,P.F.,直接数值模拟和大涡模拟中锁交换系统中混合的雷诺数依赖性,海洋模型,30,2-3,190-206(2009)
[82] Pasquetti,R.,《LES的光谱消失粘度法:对SVV控制参数的敏感性》,J Turbul,6,N12(2005)
[83] 帕斯奎蒂,R。;塞维拉克,E。;塞雷,E。;波图克斯,P。;Schäfer,M.,《通过SVV-LES方法从分层尾迹到转子静止流》,Theor Compute Fluid Dyn,22,261-273(2008)·Zbl 1161.76499号
[84] 帕特森,医学博士。;考尔菲尔德,C。;麦克尔瓦恩,J。;Dalziel,S.,分层Kelvin-Helmholtz巨浪中的时间依赖混合:实验观测,地球物理研究快报,33,15(2006)
[85] 佩尔马尔,J。;诺里斯,S。;Friedrich,H.,《重力流建模的LES网格分辨率要求》,计算流体,174,256-270(2018)·兹比尔1410.76112
[86] 佩尔马尔,J。;诺里斯,S。;Friedrich,H.,非定常重力流湍流的统计特征,流体力学杂志,901(2020)·Zbl 1460.76554号
[87] Pierce,C.D.,《湍流燃烧大涡模拟的变步长方法》(2001),斯坦福大学博士论文
[88] 派珀,D。;Cochonat,P。;莫里森,M.,《1929年大银行地震震中周围的事件序列:从侧扫声纳水下沉积物密度流推断的泥石流和浊流的启动:沉积过程和沉积类型》,沉积学,46(1),79-97(1999)
[89] Pope,S.,《湍流》(2000),剑桥大学出版社·Zbl 0966.76002号
[90] van Reeuwijk,M。;Krug,D。;Holzner,M.,倾斜重力流中的小尺度卷吸,环境流体力学,18,1,225-239(2018)
[91] 罗曼,F。;施蒂普西奇,G。;亚美尼亚五世。;Inghilesi,R。;Corsini,S.,《沿海地区混合的大涡模拟》,《国际热流杂志》,31,3,327-341(2010)
[92] 罗特曼,J.W。;Simpson,J.E.,矩形通道中重流体瞬时释放产生的重力流,流体力学杂志,135,95-110(1983)
[93] Sagaut,P.,《不可压缩流动的大涡模拟:简介》(2006),Springer Science&Business Media·Zbl 1091.76001号
[94] 舒赫,F.N。;平托,L.C。;西尔维斯特里尼,J.H。;Laizet,S.,《倾斜水道中急流现象的三维湍流分辨率模拟》,《地球物理研究海洋杂志》,123,7,4820-4832(2018)
[95] Sher,D。;Woods,A.W.,《重力流:卷吸、分层和自相似性》,《流体力学杂志》,784130-162(2015)
[96] Sher,D。;Woods,A.W.,《连续重力流中的混合》,《流体力学杂志》,818(2017)
[97] Shields,A.,Anwendung der ahnlichkeits mechanik und der turbulenz-forschung auf die geschebebeegung(1936),A Mitteilungen der(普鲁士)Versuchsanstalt博士论文
[98] Shin,J.O。;Dalziel,S.B。;Linden,P.F.,锁交换产生的重力流,流体力学杂志,521,1-34(2004)·Zbl 1065.76037号
[99] 国际标准图书编号9780521664011
[100] Smagorinsky,J.,《原始方程的一般环流实验:I.基本实验》,《Mon Weather Rev》,91,3,99-164(1963)
[101] Sun,G。;Domaradzki,J.A.,《使用自适应滤波的隐式LES》,《计算物理杂志》(2018)·兹比尔1383.76294
[102] Tadmor,E.,非线性守恒律谱方法的收敛性,SIAM J Numer Anal,26,1,30-44(1989)·Zbl 0667.65079号
[103] Tokyay,T。;Constantinescu,G.,《水下不可侵蚀三角障碍物对底部传播重力流的影响》,《物理流体》,27,5,056601(2015)
[104] Tokyay,T。;Constantinescu,G。;Meiburg,E.,高释放量的锁交换重力流在周期性障碍物阵列上传播,《流体力学杂志》,672,570-605(2011)·Zbl 1225.76155号
[105] Tokyay,T。;Constantinescu,G。;Meiburg,E.,通过障碍物阵列传播的重力流的尾部结构和河床摩擦速度分布,《流体力学杂志》,694,252-291(2012年)·Zbl 1250.76105号
[106] Tokyay,T。;Constantinescu,G。;Meiburg,E.,低释放量的Lock-exchange重力流在一系列障碍物上传播,Geophys-Res-Oceans杂志,119,5,2752-2768(2014)
[107] 曾,Y.-h。;Ferziger,J.H.,分层流中的混合和可用势能,《物理流体》,13,5,1281-1293(2001)·Zbl 1184.76559号
[108] Venayagamoorthy,S。;Koseff,J。;费齐格,J。;Shih,L.,基于DNS数据的分层流RANS湍流模型测试,技术代表(2003),斯坦福大学
[109] Vreman,A.W.,《湍流剪切流的涡流粘性次脊尺度模型:代数理论和应用》,《物理流体》,16,10,3670-3681(2004)·Zbl 1187.76543号
[110] 维雷姆,B。;Geurts,B。;Kuerten,H.,时间混合层大涡模拟中数值格式的比较,国际J数值方法流体,22,4,297-311(1996)·Zbl 0885.76069号
[111] 威尔逊,R.I。;弗里德里希,H。;Stevens,C.,《与障碍物相互作用的无限制浊流的流动结构》,环境流体力学,18,6,1571-1594(2018)
[112] 温特斯,K.B。;伦巴第,P.N。;莱利·J·J。;D'Asaro,E.A.,《密度分层流体中的可用势能和混合》,《流体力学杂志》,289,115-128(1995)·Zbl 0858.76095号
[113] 亚林,M。;Karahan,E.,《泥沙输移的开始》,《水利部期刊》,105(11),1433-1443(1979)
[114] Zemach,T。;Ungarish,M。;马丁,A。;Negretti,M.-E.,《关于遇到下坡或上坡底部的固定体积重力流》,Phys Fluids,31,9096604(2019)
[115] Zgheib,N。;Bonometi,T。;Balanchandar,S.,圆柱形颗粒重力流的直接数值模拟,计算流体,123,23-31(2015)·Zbl 1390.76902号
[116] Zhou,Y.,Rayleigh-Taylor和Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的流动、湍流和混合。一、 物理代表,720,1-136(2017)·Zbl 1377.76016号
[117] Zhou,Y.,Rayleigh-Taylor和Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的流动、湍流和混合。II、 Phys代表,723,1-160(2017)·Zbl 1377.76017号
[118] 周,Y。;克拉克,T.T。;克拉克·D·S。;盖尔·格伦丁宁,S。;亚伦·斯金纳,M。;Huntington,C.M.,流体动力不稳定性诱导流动的湍流混合和过渡标准,《物理等离子体》,26,8,080901(2019)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。