Komplex Geometrilerde Türbülanslı Akışın Sayısal Çözümü

Abstract

Bu çalışmada komplex geometrilerde türbülanslı akışın sayısal çözümü incelenmiştir. Sözkonusu akış iki boyutlu, sıkıştırılamaz, ve daimi bir türbülanslı akıştır. Hesaplamalar Sonlu hacimler Yöntemi kullanılarak genelleştirilmiş eğrisel koordinatlarda yapılmıştır. Yapısal bir ağ kullanılmış ve hücre merkezli bir ağ düzeni kullanılmıştır. Basıncın ve hızların hesaplanması için SIMPLE ve SIMPLEC yöntemi kullanılmıştır. Yapısal ağlarda hücre-merkezli ağ düzeni kullanılması ile ortaya çıkan fiziksel olmayan dalgalanmayı engellemek içim Momentum İnterpolasyon yöntemi uygulanmıştır. Yazılan bilgisayar kodunda kullanılan türbülans modelleri duvar fonksiyonlarının kullanımını içeren standard k-ε modeli , Lam-Bremhorst’un düşük Reynolds sayılı k-ε modeli ve 1988 ve 1998 yıllarında Wilcox tarafından geliştirilen k-ω modelleridir. Fakat, düşük Reynolds sayılı k-ε modeli için, bu çalışma kapsamında bir yakınsamaya ulaşılamamıştır. Sonunda, deneysel sonuçları bulunan iki farklı test prolemi seçilmiş ve sayısal olarak çözülmüştür. Elde edilen sayısal sonuçlar, deneysel sonuçlarla karşılaştırılmış ve her türbülans modelinin performansı incelenmiştir. 1998 k-ω modelinin, viskoz etkilerin çok önemli olduğu düşük Reynolds sayılı akışlarda en iyi sonucu verdiği tesbit edilmiştir. Öte yandan, yüksek Reynolds sayılı akışlarda da diğer iki model daha iyi sonuçlar vermektedir.

In this study, the numerical computation of turbulent flow in complex geometries has been accomplished. The considered flow is a 2-D, incompressible, and turbulent flow at steady state. Computation is done using finite volume method in generalized curvilinear coordinates. A structured grid and with a non-staggered (collocated) grid arrangement is used. SIMPLE and SIMPLEC algorithms have been used for the computation of pressure and velocities. Momentum interpolation method has been implemented to avoid the non-physical oscillation or so called red-black checkerboard splitting of the pressure field due to collocated grid arrangement. The turbulence models employed in computer code are the standard k-ε model with wall functions, low Reynolds k-ε model of Lam-Bremhorst and two k-ω models developed by Wilcox in 1988 and 1998. However, with the low Reynolds model, convergence has not been achieved during this study. In the end, two different test cases of which experimental data is available, has been chosen and solved numerically. The numerical results have been compared with the experimental ones and the performance of each turbulence model has been examined. It is concluded that for low Reynolds number flows, where the viscous effects play a very important role, 1998 k-ω model gives the best results. Though, the other two models give better predictions for high Reynolds number flows.