Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows

(English) Wall-modeled large eddy simulation (WMLES) is a practical tool to perform the wall-bounded large eddy simulation (LES) with less computational cost by avoiding explicit resolution of the region near the wall. However, its use is limited in flows that have high non-equilibrium effects, like...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Radhakrishnan, Sarath
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2024
País:España
Institución:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Repositorio:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:upcommons.upc.edu:2117/454246
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/2117/454246
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-454246
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:629 - Enginyeria dels vehicles de transport
531/534 - Mecànica. Vibracions. Acústica
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai
id ES_f818295e59b4d7d54ae8e846dc00a546
oai_identifier_str oai:upcommons.upc.edu:2117/454246
network_acronym_str ES
network_name_str España
repository_id_str
dc.title.none.fl_str_mv Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows
Non-equilibrium wall modeling in LES of high-speed transitional flows
title Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows
spellingShingle Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows
Radhakrishnan, Sarath
629 - Enginyeria dels vehicles de transport
531/534 - Mecànica. Vibracions. Acústica
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai
title_short Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows
title_full Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows
title_fullStr Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows
title_full_unstemmed Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows
title_sort Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flows
dc.creator.none.fl_str_mv Radhakrishnan, Sarath
author Radhakrishnan, Sarath
author_facet Radhakrishnan, Sarath
author_role author
dc.subject.none.fl_str_mv 629 - Enginyeria dels vehicles de transport
531/534 - Mecànica. Vibracions. Acústica
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai
topic 629 - Enginyeria dels vehicles de transport
531/534 - Mecànica. Vibracions. Acústica
Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai
description (English) Wall-modeled large eddy simulation (WMLES) is a practical tool to perform the wall-bounded large eddy simulation (LES) with less computational cost by avoiding explicit resolution of the region near the wall. However, its use is limited in flows that have high non-equilibrium effects, like separation and/or transition. In this work, three wall modeling strategies are presented, two of them based on high-fidelity data. First, a technique is presented to improve the robustness of the state-of-the-art algebraic wall shear stress model. Second, an equilibrium-data-driven wall shear stress model is developed using the LES of the channel data. The key purpose of this is to estabilish the methodology of model development using high-fidelity data. The model is built using a machine learning technique that uses gradient-boosted regression trees (GBRT). The objective of the model is to learn the boundary layer of a turbulent channel flow so that it can be used in significantly different flows where the equilibrium assumptions are valid. The importance of selecting the appropriate data for training and the importance of choosing the input of the model are described. The model is validated a priori and a posteriori. A posteriori tests are conducted by implementing the model in a multiphysics solver and using it in the turbulent channel flow and in the flow over a wall-mounted hump. The performance of the model is compared with an algebraic wall shear stress model to understand the strengths and shortcomings of the data-based models and further improve the same. In the next step, the model is upgraded to a non-equilibrium wall model by using non-equilibrium data for the training. The high-fidelity data chosen for training include the Direct Numerical Simulation (DNS) of a double diffuser that has strong non-equilibrium flow regions and LES of a channel flow. The ultimate purpose of this model is to distinguish between equilibrium and non-equilibrium regions and to provide the appropriate wall shear stress. The ML system used for this study is also GBRT. The model is tested a priori and a posteriori. A posteriori tests are conducted on the diffuser, channel flows, flow over the hump, and junction flows. These tests showed that the model is very effective for corner flows and flows that involve relaminarization, while it performs rather less effectively in recirculation regions.
publishDate 2024
dc.date.none.fl_str_mv 2024
2024-06-10
2026
2026-02-09
dc.type.none.fl_str_mv doctoral thesis
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
VoR
http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85
dc.type.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
dc.identifier.none.fl_str_mv https://hdl.handle.net/2117/454246
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-454246
url https://hdl.handle.net/2117/454246
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-454246
dc.language.none.fl_str_mv Inglés
eng
language_invalid_str_mv Inglés
language eng
dc.rights.none.fl_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
dc.source.none.fl_str_mv reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
instname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
instname_str Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
reponame_str UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
collection UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
repository.name.fl_str_mv
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1869424969791832064
spelling Non-equilibrium wall modeling in large eddy simulation of high-speed transitional flowsNon-equilibrium wall modeling in LES of high-speed transitional flowsRadhakrishnan, Sarath629 - Enginyeria dels vehicles de transport531/534 - Mecànica. Vibracions. AcústicaÀrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai(English) Wall-modeled large eddy simulation (WMLES) is a practical tool to perform the wall-bounded large eddy simulation (LES) with less computational cost by avoiding explicit resolution of the region near the wall. However, its use is limited in flows that have high non-equilibrium effects, like separation and/or transition. In this work, three wall modeling strategies are presented, two of them based on high-fidelity data. First, a technique is presented to improve the robustness of the state-of-the-art algebraic wall shear stress model. Second, an equilibrium-data-driven wall shear stress model is developed using the LES of the channel data. The key purpose of this is to estabilish the methodology of model development using high-fidelity data. The model is built using a machine learning technique that uses gradient-boosted regression trees (GBRT). The objective of the model is to learn the boundary layer of a turbulent channel flow so that it can be used in significantly different flows where the equilibrium assumptions are valid. The importance of selecting the appropriate data for training and the importance of choosing the input of the model are described. The model is validated a priori and a posteriori. A posteriori tests are conducted by implementing the model in a multiphysics solver and using it in the turbulent channel flow and in the flow over a wall-mounted hump. The performance of the model is compared with an algebraic wall shear stress model to understand the strengths and shortcomings of the data-based models and further improve the same. In the next step, the model is upgraded to a non-equilibrium wall model by using non-equilibrium data for the training. The high-fidelity data chosen for training include the Direct Numerical Simulation (DNS) of a double diffuser that has strong non-equilibrium flow regions and LES of a channel flow. The ultimate purpose of this model is to distinguish between equilibrium and non-equilibrium regions and to provide the appropriate wall shear stress. The ML system used for this study is also GBRT. The model is tested a priori and a posteriori. A posteriori tests are conducted on the diffuser, channel flows, flow over the hump, and junction flows. These tests showed that the model is very effective for corner flows and flows that involve relaminarization, while it performs rather less effectively in recirculation regions.(Català) La simulació de grans remolins modelada a la paret (WMLES) és una eina pràctica per realitzar la simulació de grans remolins delimitats a la paret (LES) amb menys cost computacional evitant la resolució explícita de la regió propera a la paret. No obstant això, el seu ús és limitat en fluxos que tenen efectes de no equilibri elevats, com la separació i/o la transició. En aquest treball es presenten tres estratègies de modelatge de parets, dues d'elles basades en dades d'alta fidelitat. En primer lloc, es presenta una tècnica per millorar la robustesa del model d'última generació d'esforç de tall de paret algebraic. En segon lloc, es desenvolupa un model d'esforç de tall de paret basat en dades d'equilibri utilitzant el LES de les dades del canal. El propòsit clau d'això és establir la metodologia de desenvolupament de models utilitzant dades d'alta fidelitat. El model es construeix mitjançant una tècnica d'aprenentatge automàtic que utilitza arbres de regressió augmentats amb gradient (GBRT). L'objectiu del model és aprendre la capa límit d'un flux de canal turbulent de manera que es pugui utilitzar en fluxos significativament diferents on els supòsits d'equilibri siguin vàlids. Es descriu la importància de seleccionar les dades adequades per a la formació i la importància de triar l'entrada del model. El model es valida a priori i a posteriori. Les proves a posteriori es realitzen implementant el model en un solucionador multifísic i utilitzant-lo en el flux turbulent del canal i en el flux sobre una gepa muntada a la paret. El rendiment del model es compara amb un model d'esforç de tall de paret algebraic per entendre els punts forts i les deficiències dels models basats en dades i millorar-los encara més. En el següent pas, el model s'actualitza a un model de paret sense equilibri mitjançant l'ús de dades no equilibrades per a l'entrenament. Les dades d'alta fidelitat escollides per a l'entrenament inclouen la simulació numèrica directa (DNS) d'un doble difusor que té fortes regions de flux sense equilibri i LES d'un flux de canal. L'objectiu final d'aquest model és distingir entre regions d'equilibri i no-equilibri i proporcionar l'esforç de tall de paret adequat. El sistema ML utilitzat per a aquest estudi també és GBRT. El model es prova a priori i a posteriori. Es realitzen proves a posteriori sobre el difusor, els fluxos del canal, el flux sobre la gepa i els fluxos d'unió. Aquestes proves van demostrar que el model és molt eficaç per a fluxos de cantonada i fluxos que impliquen relaminarització, mentre que funciona de manera bastant menys eficaç a les regions de recirculació.(Español) La simulación de grandes remolinos modelada por paredes (WMLES) es una herramienta práctica para realizar la simulación de grandes remolinos (LES) delimitada por paredes con menos costo computacional al evitar la resolución explícita de la región cercana a la pared. Sin embargo, su uso es limitado en flujos que tienen altos efectos de desequilibrio, como separación y/o transición. En este trabajo se presentan tres estrategias de modelado de muros, dos de ellas basadas en datos de alta fidelidad. Primero, se presenta una técnica para mejorar la robustez del modelo algebraico de tensión cortante de pared de última generación. En segundo lugar, se desarrolla un modelo de tensión cortante de pared basado en datos de equilibrio utilizando el LES de los datos del canal. El propósito clave de esto es establecer la metodología de desarrollo de modelos utilizando datos de alta fidelidad. El modelo se construye utilizando una técnica de aprendizaje automático que utiliza árboles de regresión potenciados por gradiente (GBRT). El objetivo del modelo es conocer la capa límite de un flujo de canal turbulento para que pueda usarse en flujos significativamente diferentes donde los supuestos de equilibrio sean válidos. Se describe la importancia de seleccionar los datos apropiados para el entrenamiento y la importancia de elegir la entrada del modelo. El modelo se valida a priori y a posteriori. Las pruebas a posteriori se realizan implementando el modelo en un solucionador multifísico y usándolo en el flujo de canal turbulento y en el flujo sobre una joroba montada en la pared. El rendimiento del modelo se compara con un modelo algebraico de tensión cortante de pared para comprender las fortalezas y deficiencias de los modelos basados en datos y mejorarlos aún más. En el siguiente paso, el modelo se actualiza a un modelo de pared de no equilibrio utilizando datos de no equilibrio para el entrenamiento. Los datos de alta fidelidad elegidos para el entrenamiento incluyen la simulación numérica directa (DNS) de un doble difusor que tiene fuertes regiones de flujo sin equilibrio y LES de un flujo de canal. El propósito final de este modelo es distinguir entre regiones de equilibrio y no equilibrio y proporcionar el esfuerzo cortante de pared apropiado. El sistema ML utilizado para este estudio también es GBRT. El modelo se prueba a priori y a posteriori. A posteriori se realizan pruebas sobre el difusor, los flujos del canal, el flujo sobre la joroba y los flujos de unión. Estas pruebas demostraron que el modelo es muy efectivo para flujos de esquina y flujos que involucran reminarización, mientras que funciona de manera bastante menos efectiva en regiones de recirculación.Universitat Politècnica de Catalunya20242024-06-1020262026-02-09doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/2117/454246https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-454246reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPCinstname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)Inglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2info:eu-repo/semantics/openAccessoai:upcommons.upc.edu:2117/4542462026-05-27T15:37:01Z
score 15,811543

Similares en LA Referencia