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物理学 > 流体动力学

arXiv:2501.02121v1 (physics)
[提交于 2025年1月3日 (此版本) , 最新版本 2025年6月10日 (v2) ]

标题: 湍流解析积分模拟用于壁面受限流动

标题: Turbulence-Resolving Integral Simulations for Wall-Bounded Flows

Authors:Tanner Ragan, Mark Warnecke, Samuel T. Stout, Perry L. Johnson
摘要: 湍流模型的物理保真度可以通过部分解析脉动来显著受益,但这样做通常会带来计算成本的显著增加。 为了在壁面受限流动的背景下探索这种权衡,本文引入了一个用于湍流解析积分模拟(TRIS)的框架,其目标是通过由速度和压力的瞬时法向积分定义的二维场,高效地解析最大的运动。 使用从纳维-斯托克斯方程中得出的动量矩积分方程,并采用相对简单的闭合近似,展示了在开放渠道(半通道)流动中TRIS的自维持湍流,具有定性上现实的大尺度结构。 直接数值模拟(DNS)的证据表明,这种方法可以在任意高的雷诺数下解析35-40%的雷诺剪切应力。 当前TRIS的实现可以在单个处理器上仅用约1分钟的时间模拟一个流动,即使在非常大的雷诺数下也能达到这种分辨率。 这里展示的当前概念验证TRIS结果依赖于参数调优,并且观察到与DNS频谱的一些定量差异,这促使正在进行和未来的努力,以开发基于物理的闭合方法,并扩展到更一般的流动配置,如浸没物体上的边界层。
摘要: The physical fidelity of turbulence models can significantly benefit from a partial resolution of fluctuations, but doing so often comes with a significant increase in computational cost. To explore this trade-off in the context of wall-bounded flows, this paper introduces a framework for Turbulence-Resolving Integral Simulations (TRIS) with the goal of efficiently resolving the largest motions using two-dimensional fields defined by instantaneous wall-normal integration of velocity and pressure. Self-sustaining turbulence with qualitatively realistic large-scale structures is demonstrated for TRIS on an open-channel (half-channel) flow using moment-of-momentum integral equations derived from Navier-Stokes with relatively simple closure approximations. Evidence from Direct Numerical Simulations (DNS) suggests that such an approach can resolve 35-40% of the Reynolds shear stress at arbitrarily high Reynolds number. The current implementation of TRIS can match this resolution while simulating one flow through time in ~1 minute on a single processor, even for very large Reynolds number. The present proof-of-concept TRIS results shown here rely on parameter tuning, and some quantitative differences with DNS spectra are observed, motivating ongoing and future efforts towards physics-based closures as well as extension to more general flow configurations such as boundary layers on immersed objects.
评论: 主论文 - 10页和4幅图。补充材料 - 7页和2幅图。JFM快速文章
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2501.02121 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2501.02121v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.02121
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Tanner Ragan [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 1 月 3 日 22:15:23 UTC (3,405 KB)
[v2] 星期二, 2025 年 6 月 10 日 21:58:37 UTC (5,357 KB)
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