Simulación de flujos compresibles con openFoam™
Date
2013-08-19Author
Gutiérrez Marcantoni, Luis F.
Advisor
Tamagno, José P.
Elaskar, Sergio A.
Metadata
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En esta tesis se describen los resultados obtenidos con las simulaciones numéricas de dos
tipos de problemas en los cuales el fluido debe necesariamente ser considerado compresible. En uno, se simula un caso de combustión difusiva turbulenta a baja velocidad y en
otro, la simulación se aplica a casos típicos de aerodinámica supersónica. Ambas simulaciones fueron desarrolladas aplicando las herramientas de libre distribución que provee
openfoam™. Con la combustión se utilizan ecuaciones de conservación inestacionarias para la masa, los momentos, la energía y la conservación de las especies, promediadas según
Favre y para la turbulencia se emplea un modelo k −ε modificado. Para resolver las ecuaciones de conservación discretizadas, se emplea el método PISO (Pressure Implicit with
Splitting of Operators), que conlleva a la derivación de una ecuación independiente para
la presión. La cinética química es modelada mediante una única reacción global y para
tener en cuenta la interacción química-turbulencia se implementa el concepto del reactor
parcialmente mezclado. El cálculo de los términos fuentes presentes en las ecuaciones de
conservación de las especies químicas, requiere la integración de ecuaciones diferenciales
ordinarias stiffs. openFoam proporciona un esquema numérico que garantiza estabilidad
en el cómputo de estos términos. La simulación numérica del benchmark conocido como
llama D, se compara con datos experimentales obtenidos por Sandia National Laboratories.
Las simulaciones numéricas de los flujos supersónicos son desarrolladas empleando los ejecutables sonicFoam y rhoCentralFoam. Las principales diferencias entre estos ejecutables
son: sonicFoam usa la presión como variable dependiente y en consecuencia utiliza el método PISO como técnica resolutiva; rhoCentralFoam mantiene la densidad como variable
dependiente y en lugar de usar solvers de Riemann como técnica resolutiva, emplea los
esquemas alternativos de Kurganov et al. . En esta tesis se evalúan las ventajas y desventajas derivadas de la aplicación en simulaciones supersónicas, de los dos ejecutables
citados. Con tal propósito, los siguientes flujos supersónicos fueron considerados: la cuña
(o rampa), perfil tipo doble cuña y el cuerpo romo (bidimensional y axisimétrico). Estos
flujos tienen solución analítica o cuentan con datos experimentales con que comparar los
resultados de las simulaciones numéricas. En todos los casos se supone que el fluido (aire)
se comporta como un gas no viscoso y calórico perfecto.
This thesis describes results obtained from numerical simulations of two types of problems
in which the fluid flow must necessarily be considered compressible. In one type, a low
speed diffusive combustion problem is simulated and in the other one, the simulation is
applied to typical supersonic aerodynamics problems. Both simulations were developed
by employing free distribution tools provided by openFoam.
Favre averaged unsteady mass, momentum, energy and species conservation equations
are used in the combustion problem and to account for turbulence, a modified k-e model
is used. The conservation equations are solved utilizing a pressure implicit with splitting
of operators (PISO) algorithm, which requires the addition of an extra equation for the
pressure. The chemical kinetics is modeled by only one step global reaction and the
partially stirred reactor concept (PaSR) is implemented to consider chemistry-turbulence
interactions. To compute source terms in the species conservation equations, sets of
stiff ordinary differential equations (ODEs) have to be solved. openFoam provides a
numerical scheme that ensure well enough stability in computing these terms. A numerical
simulation of the Sandia flame “D” is compared with experimental data available from
Sandia National Laboratories (USA).
Supersonic flow numerical simulations, are performed with sonicFoam and rhoCentralFoam solvers. The main difference between them arise from the fact that sonicFoam
uses the pressure as dependent variable and, consequently, the PISO algorithm, whereas
rhoCentralFoam keeps density as a dependent variable and, therefore, can use the central schemes introduced by Kurganov et al. as resolvent technique. In this thesis, the
advantages and disadvantages of the cited solvers to handle supersonic flow simulations
are evaluated by applying them to three cases: flow over a wedge, a double wedge airfoil
and over two dimensional and axial symmetrical blunt bodies. These flow cases have analytical solutions or available experimental data to compare with numerical simulations
results. In all cases the flow (air) is assumed to behave as a inviscid and caloric perfect
gas.
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