Inlet turbulence generation for Large Eddy Simulation: applications to fluid-structure interaction problems

Abstract

The Large Eddy Simulation (LES) method has become practically a standard approach for the resolution of the Navier-Stokes (NS) equations when the simulation of a turbulent flow is required. This is not only due to the high accuracy and feasibility of LES but also to the growing computational power and affordability that have taken place in recent years. However, there are a number of issues that are still being intensively studied: mesh generation strategies, inlet and boundary conditions, subgrid scale (SGS) models, among others, in order to extend the set of problems that can be solved by LES or to reduce the computational cost involved. This scenario is further complicated if the fluid-structure interaction (FSI) problem is added: coupling algorithm and mesh moving strategy must be defined for every problem. A particular field where the Computational Fluid Dynamics (CFD) and FSI meet is in the road vehicle aerodynamics study. Until recently (and even at present days) it has been preferred the experimental rather than numerical simulation of such problems due to the reliability gained by wind tunnels. Nevertheless, this experimental tool has also shortcomings that can be corrected and even strengths that can be improved by the use of numerical simulation. It is the aim of this thesis to study the applicability of LES on road vehicle aerodynamics including inlet turbulence generation and fluid-structure interaction. In order to do that, a turbulent flow over a simplified car model known as Ahmed’s body is simulated. The results obtained in this work lead to the conclusion that it is possible to analyze the aerodynamic properties of road vehicle models in a complementary way with experimental and computational tools.

El método de Simulación de Grandes Escalas se ha convertido prácticamente en una metodología estándar para la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes cuando se requiere simular un flujo turbulento. Esto no sólo se debe a la gran exactitud y factibilidad del método sino que también a la creciente potencia computacional y asequibilidad experimentada en los años recientes. Sin embargo, existe un número de cuestiones que aún están siendo intensamente estudiadas: estrategias de generación de mallas, condiciones de borde y de entrada en dominios, modelos de sub-malla, entre otros, para poder ampliar el conjunto de problemas que pueden ser resueltos mediante la Simulación de Grandes Escalas o bien para reducir el costo computacional involucrado. Este escenario se complica aún más si se agrega el problema de la interacción fluido-estructura: deben definirse para cada problema algoritmos de acoplamiento y estrategias de movimiento de malla. Un campo particular donde la Fluidodinámica Computacional y la Interaccion Fluido-Estructura se encuentran es en el estudio de la aerodinámica vehicular. Hasta recientemente (e incluso actualmente) se ha preferido la simulación experimental por sobre la numérica de estos problemas debido a la confiabilidad alcanzada por los túneles de viento. Sin embargo, esta herramienta experimental también posee deficiencias que pueden corregirse e incluso fortalezas que pueden sermejoradas mediante el uso de la simulación numérica. El propósito de esta tesis es el estudio de la aplicación de la Simulación de Grandes Escalas ala aerodinámica vehicular incluyendo la generación de turbulencia en la entrada del dominio e interacción fluido-estructura. Para ello, es simulado un flujo turbulento sobre un modelo simplificado de vehículo conocido como cuerpo de Ahmed. Los resultados obtenidos en este trabajo llevan a la conclusión de que es posible analizar las propiedades aerodinámicas de vehiculos de carretera de manera complementaria mediante herramientas experimentales y computacionales.