[論文レビュー] Effect of near-wall treatments on airflow simulations

Najla El Gharbi, Rafik Absi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2010

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 7被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、Fluent CFDソフトウェアを用いた気流シミュレーションにおいて、標準壁関数、非平衡壁関数、強化壁処理の3つの異なる近壁処理が及える影響を評価している。完全に発達したチャネル流れ（Reτ = 590）とルームエアディストリビューションベンチマークに対して適用した結果、強化壁処理が壁に近い領域における平均流れ方向速度および乱流運動エネルギーのプロファイル予測において最も精度が高く、両テストケースにおいて標準的手法を上回った。

ABSTRACT

Airflow simulation results depend on a good prediction of near wall turbulence. In this paper a comparative study between different near wall treatments is presented. It is applied to two test cases: (1) the first concerns the fully developed plane channel flow (i.e. the flow between two infinitely large plates). Simulation results are compared to direct numerical simulation (DNS) data of Moser et al. (1999) for $Reτ$ = 590 (where $Reτ$ denotes the friction Reynolds number defined by friction velocity $uτ$, kinematics viscosity $v$ and the channel half-width $δ$); (2) the second case is a benchmark test for room air distribution (Nielsen, 1990). Simulation results are compared to experimental data obtained with laser-doppler anemometry. Simulations were performed with the aid of the commercial CFD code Fluent (2005). Near wall treatments available in Fluent were tested: Standard Wall Functions, Non Equilibrium Wall Function and Enhanced Wall Treatment. In each case, suitable meshes with adequate position for the first near-wall node are needed. Results of near-wall mean streamwise velocity U+ and turbulent kinetic energy k+ profiles are presented, variables with the superscript of + are those non dimensional by the wall friction velocity $uτ$ and the kinematic viscosity ν.

研究の動機と目的

• 固体境界に近い領域における乱流気流をシミュレートする際の、異なる近壁処理の精度を評価すること。
• 標準壁関数、非平衡壁関数、強化壁処理の3つの手法が、近壁乱流を予測する性能を評価すること。
• 完全に発達したチャネル流れ（Reτ = 590）における直接数値シミュレーション（DNS）データと照合して、シミュレーション結果を検証すること。
• ルームエアディストリビューションベンチマークケースにおける実験的レーザー・ドップラー・アナモメトリー（LDA）データとシミュレーション結果を比較すること。
• 室内気流応用における正確なCFD予測を実現するための最適な近壁処理およびメッシュ構成を特定すること。

提案手法

• 2つのテストケース（完全に発達した平板チャネル流れおよびルームエアディストリビューションベンチマーク）に対して、商業用CFDコードFluent（2005）を用いてシミュレーションを実施した。
• 標準壁関数、非平衡壁関数、強化壁処理の3つの近壁処理モデルを適用した。
• 結果の比較を可能にするために、摩擦速度uτで正規化した次元なし変数U+（速度）およびk+（乱流運動エネルギー）を用いた。
• 各壁関数アプローチに適したy+値に近い最初の壁近傍ノードを配置することで、適切なメッシュ解像度を確保した。
• Reτ = 590における高精度なDNSデータ（Moserら、1999年）と、ルームエアディストリビューションケースにおける実験データ（Nielsen、1990年）とを基準に結果を検証した。
• 壁に近い領域におけるモデル精度を評価するため、平均流れ方向速度および乱流運動エネルギーのプロファイルを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる近壁処理が、乱流チャネル流れにおける平均流れ方向速度の予測精度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 近壁処理の選択が、高レイノルズ数流れにおける乱流運動エネルギーの予測にどのように影響を及ぼすか？
• RQ3 完全に発達したチャネル流れ（Reτ = 590）において、DNSデータに最も近い一致を示す近壁処理はどれか？
• RQ4 異なる壁関数処理は、ルームエアディストリビューションベンチマークにおいて実験的レーザー・ドップラー・アナモメトリー測定値をどれほど正確に再現できるか？
• RQ5 正確な室内気流シミュレーションを実現するための最適なメッシュ解像度および壁関数の組み合わせは何か？

主な発見

• 完全に発達したチャネル流れにおいて、強化壁処理はDNSデータ（Reτ = 590）に最も近い平均流れ方向速度プロファイルを予測し、最も高い精度を示した。
• 同じチャネル流れケースにおいても、強化壁処理は乱流運動エネルギープロファイルにおいても、DNS結果からの最小限のずれで最も正確な結果をもたらした。
• 標準壁関数は、平衡乱流の仮定に基づくため、特に粘性サブレイヤーおよびバッファレイヤーでDNSデータから顕著なずれを示した。
• 非平衡壁関数は、標準壁関数よりもチャネル流れにおいて精度が向上したが、依然として壁に近い領域の速度勾配を低く予測していた。
• ルームエアディストリビューションベンチマークにおいて、強化壁処理は実験的レーザー・ドップラー・アナモメトリー測定値と最も一致する速度プロファイルを生成した。
• 本研究では、特に最初の壁近傍ノードを適切なy+値に配置することが、すべての壁関数モデルにおいて正確な結果を得る上で極めて重要であることが確認された。