[論文レビュー] Large-eddy simulations of the flow around a NACA0012 airfoil at different angles of attack

Larissa B. Streher|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2018

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Re = 100,000 の条件下で、NACA0012翼型の迎角 α = 0°, 5°, 11° における乱流流れを、壁面解像型大渦シミュレーション（LES）とスメゴルスキーの微小スケールモデルを用いて調査する。主な貢献は、将来的な流体構造挙動連成解析およびフラッター解析を想定した場合に、正確性と計算コストの最適なバランスを実現する中程度解像度のメッシュ（最適な壁面距離 y⁺_max）の特定にある。特に迎角 ≤5° の場合に有効である。

ABSTRACT

The purpose of this work is to investigate the flow around a fixed NACA0012 airfoil profile at different angles of attack using wall-resolved LES. The profile has a chord length of c=0.1 m and is exposed to a flow at a Reynolds number of Re=100,000. The background is that in the next step the coupled problem should be considered, dealing with the flutter problem. The software ANSYS ICEM CFD is utilized in order to generate the meshes, which are then applied for the simulation with the in-house software FASTEST-3D. This is based on a finite-volume approach and a three sub-steps predictor-corrector scheme as spatial and temporal discretizations, respectively. The turbulence is modeled by the large-eddy simulation technique and the subgrid-scales are modeled according to Smagorinsky. An analysis of the meshes concerning the dimensionless wall distances is performed based on the spatial and time-averaged results of the velocities, the spatial and time-averaged streamlines, the instantaneous velocities, the spatial and time-averaged Reynolds stresses and the aerodynamic coefficients. A selection of the less computational time demanding grids that can correctly approximate the solutions of the test case is made. In a near future these will be applied to investigate the fluid-structure interaction and particularly the flutter phenomenon of the NACA0012 profile within a turbulent flow.

研究の動機と目的

• 固定された NACA0012 翼型における乱流流れを、高精度な大渦シミュレーションを用いて迎角の変化に伴って調査すること。
• メッシュ解像度および壁面距離（y⁺）が解の正確性と計算コストに与える影響を評価すること。
• その後の流体構造挙動連成（FSI）およびフラッター解析に適した、計算的に効率的かつ正確なメッシュ構成を選定すること。
• 実験データとの比較を通じて LES 結果を検証し、異なる迎角におけるメッシュ収束性を評価すること。
• 乱流状態下での動的翼型応答を想定した将来的なシミュレーションの基盤を提供すること。

提案手法

• 空間的・時間的離散化には、3段階予測補正スキームを用いた自社開発の有限体積法ソルバー FASTEST-3D を用いて数値シミュレーションを実施する。
• 大渦シミュレーション（LES）手法を採用し、スメゴルスキー・モデルを用いて大規模な乱流構造を解像し、微小スケール応力のモデル化を行う。
• ANSYS ICEM CFD を用いて、構造的でブロック構造の六面体メッシュを生成し、異なる y⁺ 水準に対応する細かめおよび中程度の解像度のオプションを用意する。
• 境界条件には、速度入口、対称面、非反射流出境界、およびスパン方向に周期的境界条件を設定し、2次元流れを模擬する。
• 検証およびメッシュ評価のため、空間的・時間的平均流れ場、レイノルズ応力、および空力係数（Cp、Cf、CD、CL）を計算・分析する。
• メッシュ品質は、次元なしの壁面距離（y⁺）分析を用いて評価し、異なる迎角および平均化時間における結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Re = 100,000 の条件下で、NACA0012 翼型の流れに対する LES において、異なるメッシュ解像度および壁面法線方向の y⁺ 値が正確性と計算コストにどのように影響を与えるか？
• RQ2 α = 0°, 5°, 11° の各条件下で、LES 結果の速度、流れの線、レイノルズ応力は実験データとどの程度一致するか？
• RQ3 α = 11° の場合、解はメッシュ解像度に依存しないのか、それともメッシュや平均化時間の影響による差異が原因か？
• RQ4 計算された圧力係数および摩擦係数は実験測定値とどの程度一致するか。観察されたずれの原因は何か？
• RQ5 将来的な流体構造挙動連成シミュレーションにおいて、正確性と計算効率の最適なバランスを実現するメッシュ構成は何か？

主な発見

• α ≤ 5° の範囲では、y⁺_max を最適化した中程度解像度のメッシュが、正確性と計算コストの最適なバランスを実現しており、将来的な FSI シミュレーションに適している。
• α = 0° の場合、細かいメッシュおよび中程度のメッシュの両方が、圧力係数および摩擦係数において実験データと良好な一致を示すが、実験とは異なり LES では境界層剥離が捉えられている。これは実験で境界層制御が施されているための差異である。
• α = 5° および α = 11° の場合、圧力係数のずれは主にレイノルズ数の違いおよび流れの剥離行動の差異に起因し、特に吸気面で大きなずれが生じる。
• レイノルズ応力解析から、α = 11° における2つの中程度解像度メッシュは明確なメッシュ独立性を示さないことが判明し、高迎角流れの解析にはさらなるメッシュの細分化が必要であると示唆される。
• 計算された抗力および揚力係数は、α = 11° の場合に著しいずれが生じており、これはメッシュ解像度に敏感である可能性を示しており、さらなるメッシュ収束性の検証が求められる。
• 迎角 ≤ 5° の場合の FSI シミュレーションには、y⁺_max を最適化した中程度解像度メッシュが推奨されるが、θ > 5° の場合は未解決の流れ不安定性が生じるため、高解像度メッシュが必要である。