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物理学 > 流体动力学

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

标题: 壁面受限流动的湍流解析积分模拟

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从部分解析波动中受益,但这通常伴随着计算成本的增加。 为了在壁面受限流动背景下探索这种权衡,本文引入了一种用于湍流积分模拟(TRIS)的框架,旨在通过二维、三分量表示的流动来高效解析最大的运动,该表示由速度和压力的瞬时法向积分定义。 使用从纳维-斯托克斯方程推导出的动量矩积分方程以及相对简单的封闭近似,在开通道(半通道)流动配置下,展示了具有定性真实大尺度结构的自我维持湍流的TRIS。 来自直接数值模拟(DNS)的证据表明,对于摩擦雷诺数在180到5200之间的湍流,TRIS理论上可以解析35-40%的湍流摩阻增强,且不随雷诺数出现显著的减小或增加。 当前的TRIS实现可以在单处理器上约1分钟内完成一个时间上的流动模拟,即使对于非常大的雷诺数也是如此。 该框架促进了预测统计与DNS数据的详细苹果对苹果比较。 在摩擦雷诺数为395和590的比较显示,TRIS生成了相对准确的流动表示,同时突出了需要改进封闭模型的差异。 开放通道流动的现有结果代表了TRIS作为一种新的壁面受限湍流建模方法的概念验证,激励将其扩展到更一般的流动配置,例如浸没物体上的边界层。
摘要: The physical fidelity of turbulence models can benefit from a partial resolution of fluctuations, but doing so often comes with an 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 a two-dimensional, three component representation of the flow defined by instantaneous wall-normal integrals of velocity and pressure. Self-sustaining turbulence with qualitatively realistic large-scale structures is demonstrated for TRIS on an open-channel (half-channel) flow configuration using moment-of-momentum integral equations derived from Navier-Stokes with relatively simple closure approximations. Evidence from Direct Numerical Simulations (DNS) suggests that TRIS can theoretically resolve 35-40% of the turbulent skin friction enhancement for friction Reynolds numbers between 180 and 5200, without a noticeable decrease or increase as a function of 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 numbers. The framework facilitates a detailed apples-to-apples comparison of predicted statistics against data from DNS. Comparisons at friction Reynolds numbers of 395 and 590 show that TRIS generates a relatively accurate representation of the flow, while highlight discrepancies that demonstrate a need for improving the closure models. The present results for open-channel flow represent a proof of concept for TRIS as a new approach for wall-bounded turbulence modeling, motivating extension to more general flow configurations such as boundary layers on immersed objects.
评论: 25页,9幅图,期刊论文
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2501.02121 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2501.02121v2 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.02121
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: J. Fluid Mech. 1014 (2025) A40
相关 DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10324
链接到相关资源的 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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