[論文レビュー] An LES study of turbulent flow over in-line tube-banks and comparison with experimental measurements

C. Jin, I. Potts+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2016

Fluid Dynamics and Vibration Analysis参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Re = 15,270 における直列配列管バンクの乱流流れを、動的スマゴリンスキー微小スケールモデルと壁層モデルを用いた大渦シミュレーション（LES）でシミュレートした。シミュレーションは実験的な表面圧力分布、抗力および揚力係数、および渦剥離周波数を正確に再現しており、第2列目では抗力が最小となり、渦の混合に起因する複雑な尾渦構造が下流で観察された。

ABSTRACT

Turbulent flow across an in-line array of tube-banks with transverse and longitudinal pitch PT /D = 2.67, and PL /D = 2.31, has been simulated successfully by Large Eddy Simulation (LES) based on the dynamic Smagorinsky subgrid scale model (SGS), in which a wall-layer model is used to reduce the computational cost. The flow structures across the tube-banks were examined through the normalized Q criterion. The surface pressure characteristics from the middle cylinder within each column of cylinders are found to agree well with the existing experimental data, as did also the values of drag and lift coefficients. These results indicate that cylinders from the second column experience the minimum drag force and maximum lift force fluctuation. Spectral analyses were performed for velocity signals sampled behind each middle cylinder axis, which show that the dominant vortex shedding frequency does not vary across the tube-banks. On this basis, we also examined the shear layer instability. Finally, we report auto-correlation functions for streamwise and cross velocity fluctuations as a function of the spanwise length.

研究の動機と目的

• 大渦シミュレーション（LES）を用いて、動的微小スケールモデルを組み合わせた直列配列管バンクの乱流流れを正確にシミュレートすること。
• 表面圧力、抗力および揚力係数について、LESの予測値を実験データと照合すること。
• 複数の管列における渦剥離周波数およびせん断層不安定性を調査すること。
• 速度フラクチュエーションの spanwise 相関を分析し、渦の混合に起因する尾渦の複雑さを評価すること。
• 壁層モデルの性能を、計算コストを削減しつつも精度を維持できるか評価すること。

提案手法

• 大規模な乱流運動を解明し、小規模な乱流をモデル化するために、動的スマゴリンスキー微小スケール（SGS）モデルを用いたLESを適用した。
• 円筒表面付近の粘性サブレイヤーを解像しないことで計算コストを低減するため、壁層モデルを採用した。
• 代表的な管バンクセルをモデル化するため、流れ方向および spanwise 方向に周期的境界条件を用いた。
• 一貫した渦と乱流渦を特定するために、正規化された Q 準拠を用いて流れ構造を可視化した。
• 各列の中央に位置する円筒の後方で速度信号をサンプリングし、スペクトル解析を用いて主要な渦剥離周波数を抽出した。
• 流れ方向および横方向の速度フラクチュエーションの自己相関関数を spanwise 分離の関数として計算し、乱流渦のコherency を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的 SGS モデルを用いた LES は、実験データと比較して、直列配列管バンクの表面圧力特性をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 異なる管列における抗力および揚力係数の変動は何か？また、どの列で抗力が最小となり、揚力のフラクチュエーションが最大となるか？
• RQ3 管バンク全体で主要な渦剥離周波数は一定であるか？また、実験的および理論的値と比較するとどうなるか？
• RQ4 せん断層不安定性は最初の列と下流の列でどのように現れるか？また、孤立した円筒に対する普遍的値と一致するか？
• RQ5 spanwise 方向における速度フラクチュエーションの空間的コherency は何か？上流と下流の円筒でどのように異なるか？

主な発見

• LES シミュレーションは、各列の中央に位置する円筒の実験的表面圧力分布と非常に良好に一致しており、流入条件のモデル化に起因するわずかな差異が見られるにとどまった。
• 抗力係数は第2列目の円筒で最小となり、揚力係数も同様に最大のフラクチュエーションを示しており、実験観察と一致した。
• LES における渦剥離のストローハル数は 0.153 であり、実験値（Shim, 1985）の 0.152 および理論的普遍値（Roshko, 1954）の 0.16 に非常に近い値であった。
• 主な渦剥離周波数は、すべての管列で一定であり、バンク全体で同期した渦剥離が生じていることを示した。
• せん断層不安定性は最初の列目の円筒でのみ観察され、孤立円筒に対する普遍的値とは一致せず、Brun ら（2004）の最近の実験的発見を支持した。
• 自己相関関数の結果、下流の円筒の後方では、隣接する列からの渦の混合に起因して、最初の列の後方と比較してより複雑な空間的構造を持つ乱流渦が観察された。