Assessment and validation of an in-house finite volume compressible CFD solver for Large Eddy Simulation

Turbulence is the natural state of fluid motion, is ubiquitous and influences many phenomena in engineering and the natural sciences. Historically, numerical simulations have proved very beneficial in the study of turbulent flows, as they allow the measurement of quantities that cannot be measured experimentally. In this context, the Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) and Unsteady-RANS simulations approach is unable to provide high-fidelity results, as they are based on limited, albeit complex, models for resolving the mean component of the flow. Therefore, to gain a deeper understanding and gather information on the instantaneous fluctuations characteristic of turbulent flows, high-fidelity instationary simulations are needed, carried out with fine numerical grids, such as Large Eddy Simulation (LES) or Direct Numerical Simulation (DNS). The finite-volume CFD code Zephyrus, developed at the Turbomachinery Research Center at the University of Bath, was originally designed to simulate compressible turbomachinery flows with RANS and URANS models. The purpose of this thesis is to investigate the ability of Zephyrus to perform compressible LES simulations without a subgrid model (Implicit LES, or ILES), comparing its accuracy with the open-source OpenFOAM code. Turbulent flow over a bump is a widely used case study, as it reproduces typical characteristics of realistic applications, such as favorable and adverse pressure gradients, non-constant friction along the flow direction, and possibly separations. The results obtained in OpenFOAM have a very good match with DNS data, while Zephyrus shows a tendency to re-laminize. In fact, the turbulent Reynolds decreases from a value Re_tau=200 at the domain entrance to Re_tau=150 downstream of the bump. Contextually, the skin friction coefficient, turbulent fluctuations and components of the Reynolds stress tensor are attenuated compared to the values obtained with OpenFOAM. This behavior was mainly attributed to the excessive dissipation of the numerical scheme used in Zephyrus.

La turbolenza è lo stato naturale del moto dei fluidi, è onnipresente e influenza molti fenomeni dell'ingegneria e delle scienze naturali. Storicamente, le simulazioni numeriche si sono rivelate molto vantaggiose nello studio dei flussi turbolenti, poiché permettono la misurazione di quantità non rilevabili sperimentalmente. In questo contesto, l'approccio con simulazioni RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes) e Unsteady-RANS non è in grado di fornire risultati ad alta fedeltà, in quanto basate su modelli limitati, per quanto complessi, per la risoluzione della componente media del flusso. Pertanto, per ottenere una comprensione più profonda e raccogliere informazioni sulle fluttuazioni istantanee caratteristiche dei flussi turbolenti, sono necessarie simulazioni instazionarie ad alta fedeltà,,realizzate con griglie numeriche fini, come Large Eddy Simulation (LES) o Direct Numerical Simulation (DNS). Il codice CFD ai volumi finiti Zephyrus, sviluppato presso il Turbomachinery Research Center dell’Università di Bath, è stato originariamente ideato per simulare flussi comprimibili in turbomacchine con modelli RANS e URANS. Lo scopo di questa tesi è di indagare la capacità di Zephyrus di eseguire simulazioni LES comprimibili senza modello di sottogriglia (Implicit LES, o ILES), confrontandone l'accuratezza con il codice oepn-source OpenFOAM. Il flusso turbolento sopra un bump è un caso studio ampiamente utilizzato, in quanto riproduce caratteristiche tipiche di applicazioni realistiche, come gradienti di pressione favorevoli ed avversi, un attrito non costante lungo la direzione del flusso ed eventualmente separazioni. I risultati ottenuti in OpenFOAM hanno un’ottima corrispondenza con i dati DNS, mentre Zephyrus mostra una tendenza a ri-laminizzare. Infatti, il Reynolds turbolento si riduce da un valore Re_tau=200 all’ingresso del dominio a Re_tau=150 a valle del bump. Contestualmente, il coefficiente d'attrito, le fluttuazioni turbolente e le componenti del tensore degli stress di Reynolds risultano attenuati rispetto ai valori ottenuti con OpenFOAM. Questo comportamento è stato prevalentemente attribuito alla eccessiva dissipazione dello schema numerico utilizzato in Zephyrus.