A new grey area mitigation technique for DES : theory and assessment

Abstract

The use of hybrid RANS-LES methods has become widespread during the last decade, as an interesting approach for covering the gap between RANS and LES turbulence models in terms of both computational resources and degree of modelling. In particular, for those situations where the flow unsteadiness needs to be well-captured or those flow configurations where RANS has demonstrated to be unreliable, such as massive flow separation. Within the family of hybrid models, Delayed - Detached Eddy Simulation (DDES) outstands due to its user-friendly non-zonal approach and its proved success in several applications.Despite their benefits, these models usually suffer from a slow RANS to LES transition (named Grey Area), resulting in unphysical delays of critical flow instabilities in sensitive regions, such as Kelvin-Helmholtz structures in free shear layers. This delay in the triggering process could significantly affect the flow dynamics downstream of the flow, as well as those kinds of physics that require high quality unsteady turbulent motion, such as fluid structure interaction and computational aeroacoustics. In this regard, the present thesis aims to perform a consistent study of different techniques for mitigating such delay, as well as presenting a promising easy-to-apply new strategy. Due to the lack of publicly available highly reliable data set, a Direct Numerical Simulation (DNS) of a Backward-Facing Step (BFS) at Re ? = 395 and expansion ratio (ER) 2 has been carried out during the first part of this thesis for comparison purposes. In contrast to the rest of reference cases, it provides a detailed view of the triggering and feeding processes of the flow instabilities through the free shear layer. As a result, the thesis provides a highly reliable data set publicly available on internet, as well as a competitive new technique for mitigating the Grey Area shortcoming. The thesis content is arranged as follows. In the first chapter, a general overview of the different approaches for modelling turbulence is presented, emphasizing the importance of the Hybrid RANS-LES strategies for industrial applications. In second chapter, the DNS of the BFS at Re ? = 395 and ER = 2 is explained in detail. Specialattention is paid on the triggering of the flow instabilities in the free shear layer downstream the step-edge. The third chapter describes the new techniques proposed in this thesis, based on the LES literature, for mitigating the Grey Area shortcoming. These are tested in the fourth chapter, which presents a consistent study of the different methodologies for addressing the unphysical delay of the shear layer instabilities. Finally, the last chapter gathers the main conclusions of the overall thesis and defines possible further work lines.

L'ús de mètodes híbrids RANS-LES s'ha generalitzat durant l'última dècada, com un enfocament interessant per cobrir la bretxa entre els models de turbulència RANS i LES en termes de recursos computacionals i grau de modelatge. En particular, per a aquelles situacions en què la inestabilitat de l'flux ha de capturar-se bé o aquelles configuracions de flux on Rans ha demostrat ser poc fiable, com la separació massiva de l'flux. Dins de la família de models híbrids, la simulació d'Eddy retardada i separada (DDES) es destaca pel seu enfocament no zonal fàcil d'usar i el seu èxit provat en diverses aplicacions. Malgrat els seus beneficis, aquests models solen patir una transició lenta de RANS a LES (denominada Àrea gris), el que provoca retards no físics d'inestabilitats de flux crítiques en regions sensibles, com les estructures de Kelvin-Helmholtz en capes de cisallament lliure . Aquesta demora en el procés d'activació podria afectar significativament la dinàmica de flux aigües avall de l'flux, així com aquells tipus de física que requereixen un moviment turbulent inestable d'alta qualitat, com la interacció de l'estructura de l'fluid i la aeroacústica computacional. En aquest sentit, la present tesi té com a objectiu realitzar un estudi coherent de diferents tècniques per mitigar aquest retard, així com presentar una nova estratègia prometedora i de fàcil aplicació. A causa de la falta d'un conjunt de dades altament fiables i disponibles públicament, es va dur a terme una simulació numèrica directa (DNS) d'un pas cap enrere (BFS) en Re t = 395 i un índex d'expansió (ER) 2 durant la primera part d'aquest tesi amb fins comparatius. A diferència de la resta de casos de referència, proporciona una vista detallada dels processos d'activació i alimentació de les inestabilitats de flux a través de la capa de cisallament lliure. Com a resultat, la tesi proporciona un conjunt de dades altament fiables disponibles públicament a Internet, així com una nova tècnica competitiva per mitigar la deficiència de l'Àrea Gris. El contingut de la tesi s'organitza de la següent manera. En el primer capítol, es presenta una descripció general dels diferents enfocaments per a modelar la turbulència, emfatitzant la importància de les estratègies Híbrides Rans-LES per a aplicacions industrials. En el segon capítol, el DNS de l'BFS en Re t = 395 i ER = 2 s'explica en detall. Es presta especial atenció a l'activació de les inestabilitats de flux en la capa de cisallament lliure aigües avall de la vora de l'esglaó. El tercer capítol descriu les noves tècniques proposades en aquesta tesi, basades en la literatura LES, per mitigar la deficiència de l'Àrea Gris. Aquests es proven en el quart capítol, que presenta un estudi consistent de les diferents metodologies per abordar el retard físic de les inestabilitats de la capa de tall. Finalment, l'últim capítol recull les principals conclusions de la tesi general i defineix possibles línies de treball addicionals.