Applications of turbulence modeling in civil engineering

Abstract

This thesis explores the use of stabilized finite element formulations for the incompressible Navier-Stokes equations to simulate turbulent flow problems. Turbulence is a challenging problem due to its complex and dynamic nature and its simulation if further complicated by the fact that it involves fluid motions at vastly different length and time scales, requiring fine meshes and long simulation times. A solution to this issue is turbulence modeling, in which only the large scale part of the solution is retained and the effect of smaller turbulent motions is represented by a model, which is generally dissipative in nature. In the context of finite element simulations for fluids, a second problem is the apparition of numerical instabilities. These can be avoided by the use of stabilized formulations, in which the problem is modified to ensure that it has a stable solution. Since stabilization methods typically introduce numerical dissipation, the relation between numerical and physical dissipation plays a crucial role in the accuracy of turbulent flow simulations. We investigate this issue by studying the behavior of stabilized finite element formulations based on the Variational Multiscale framework and on Finite Calculus, analyzing the results they provide for well-known reference problems, with the final goal of obtaining a method that both ensures numerical stability and introduces physically correct turbulent dissipation. Given that, even with the use of turbulence models, turbulent flow problems require significant computational resources, we also focused on programming and implementation aspects of finite element codes, specially in ensuring that our solver can perform efficiently on distributed memory architectures and high-performance computing clusters. Finally, we have developed an adaptive mesh refinement technique to improve and optimize unstructured tetrahedral meshes, again with the goal of enabling the simulation of large turbulent flow problems. This technique combines an error estimator based on Variational Multiscale principles with a simple refinement procedure designed to work in a distributed memory context and we have applied it to the simulation of both turbulent and non-Newtonian flow problems.

Aquesta tesi estudia la possibilitat d'utilitzar formulacions estabilitzades d'elements finits de les equacions de Navier-Stokes incompressibles per a la simulació de problemes de flux turbulent. La descripció de la turbulència és un repte, ja que es tracta d'un problema altament dinàmic i complex i la seva simulació numèrica es veu complicada pel fet que hi intervenen moviments de masses fluides amb dimensions i temps característics molt diferents i per tant requereix malles de càlcul molt fines i temps de simulació llargs. Això s'ha provat de resoldre mitjançant l'ús de models de turbulència, mantenint únicament la part de la solució de més gran escala i introduint un model de l'efecte dels moviments de petita escala, que acostuma a tenir un efecte dissipatiu. En el context de la simulació de fluids amb elements finits es planteja un segon problema amb l'aparició d'inestabilitats numèriques. Aquestes es poden evitar amb l'ús de formulacions estabilitzades, en les quals el problema es modifica per assegurar que tingui una solució estable. Ja que els mètodes d'estabilització típicament introdueixen dissipació addicional, la relació entre la dissipació numèrica i la dissipació física té un paper fonamental en la qualitat de la solució. Per investigar aquest fenomen hem estudiat el comportament de diferents formulacions d'elements finits basades en mètodes variacionals de subescala (VMS) i en el càlcul finit (FIC) en termes del seu comportament en la simulació de problemes turbulents de referència, amb l'objectiu final de trobar un mètode que a la vegada garanteixi l'estabilitat de la solució i introdueixi la dissipació turbulenta físicament necessària. Tenint en compte que, fins i tot quan s'utilitzen models de turbulència, la simulació de problemes de flux turbulent requereix molts recursos de càlcul, també hem estudiat aspectes de la implementació paral·lela de programes d'elements finits per tal de garantir que el nostre codi pot treure partit d'arquitectures de memòria distribuïda i servidors de càlcul d'alt rendiment. Finalment, hem desenvolupat una tècnica de refinament adaptatiu de malla que permeti millorar la qualitat de malles de càlcul tetraèdriques, novament amb la intenció de facilitar la simulació de grans problemes de flux turbulent. Aquesta tècnica combina un estimador d'error basat en els principis de la formulació variacional de subescala amb un procediment de refinament dissenyat per funcionar fàcilment en un context de memòria distribuïda i s'ha utilitzat per simular problemes de flux turbulent i no-Newtonià.