Spectral analysis of the turbulent energy cascade and the development of a novel nonlinear subgrid-scale model for large eddy simulation.

• Autor(a) principal: Andrade, João Rodrigo
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
• Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/24611; http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.325
• topic: Turbulent wall-bounded flows; Turbulent kinetic energy budget; Energy cascade; Inhomogeneity; Anisotropy; Turbulent channel flow; Turbulence; Direct numerical simulation; Large eddy simulation; Subgrid-scale model; Nonlinear subgrid-scale model; Engenharia mecânica; Mecânica dos fluidos; Escoamento turbulento; Turbulência; Écoulements turbulentes de parois; Cascade d’énergie; Équation différentielle de l’énergie cinétique turbulent; Inhomogénéité, anisotropie; Écoulement turbulent en canal plan; Simulation numérique directe; Simulation des grandes échelles; Modèle sous maille; Modèle sous maille non linéaire; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS

O objetivo da presente tese é analisar e fornecer um aprimoramento do conhecimento sobre o comportamento das pequenas escalas de escoamentos turbulentos e propor novos modelos submalha não-lineares para Simulação das Grandes Escalas. Desta forma, a presente tese é subdividida em três partes principais. O primeiro tópico é uma análise das incertezas estatísticas associadas aos dados de Simulação Numérica Direta em escoamentos turbulentos em canal plano, mostrando uma nova quantificação física desses erros. Nesta análise, o erro de velocidade média é estimado considerando-se o tensor das tensões de Reynolds e aplicando a equação de força média. Esta análise é realizada a fim de verificar a qualidade dos dados estatísticos provenientes das Simulações Numéricas Direta aplicadas no presente trabalho. Em segunda etapa, buscando compreender a física contida em todo o espectro de número de ondas de escoamentos turbulentos, uma análise do balanço da energia cinética turbulenta espectral em escoamentos turbulentos em canal plano totalmente desenvolvido é realizada. A análise é focada na influência do número de Reynolds na cascata espectral de energia e na correspondente cascata de energia no espaço físico na presença de inomogeneidade e anisotropia. Finalmente, é apresentado um novo modelo não linear submalha para Simulação das Grandes Escalas baseados em um conjunto de tensores objetivos. No modelo de fechamento proposto, o tensor das tensões submalha é uma função dos tensores taxa-de-deformação e não-persistência-de-deformação, onde ambos são entidades cinemáticas locais e objetivas. O tensor não-persistência-de-deformação representa a capacidade local do fluido evitar um persistente esticamento. Para verificar a consistência do modelo proposto, testes a priori e a posteriori são realizados simulando diferentes escoamentos turbulentos com presença de paredes. Comparações com o tensor das tensões submalhas exato e dados experimentais revelaram que a inclusão de termos não lineares no modelo pode levar a resultados significativamente melhores, mostrando o grande potencial da base tensorial proposta.