[論文レビュー] Industry-Relevant Implicit Large-Eddy Simulation of a High-Performance Road Car via Spectral/hp Element Methods

Gianmarco Mengaldo, David Moxey+6 more|Research Portal (King's College London)|Sep 18, 2020

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics参考文献 70被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スペクトル/$hp$ 要素法を用いて、実際の高性能ロードカーの完全な形状を対象とした、初めての高次精度非定常大渇流シミュレーション（LES）を提示する。著者らは、エネルギー安定解析に基づくCG-SVV作用素を含む、堅牢な高次メッシュ生成法および高度な数値スキームを開発し、高レイノルズ数の複雑な流れを安定的かつ高精度にシミュレートすることに成功した。これは、産業分野における高次CFDの実用化に向けた重要な一歩である。

ABSTRACT

We present a successful deployment of high-fidelity Large-Eddy Simulation (LES) technologies based on spectral/hp element methods to industrial flow problems, which are characterized by high Reynolds numbers and complex geometries. In particular, we describe the numerical methods, software development and steps that were required to perform the implicit LES of a real automotive car, namely the Elemental Rp1 model. To the best of the authors' knowledge, this simulation represents the first fifth-order accurate transient LES of an entire real car geometry. Moreover, this constitutes a key milestone towards considerably expanding the computational design envelope currently allowed in industry, where steady-state modelling remains the standard. To this end, a number of novel developments had to be made in order to overcome obstacles in mesh generation and solver technology to achieve this simulation, which we detail in this paper. The main objective is to present to the industrial and applied mathematics community, a viable pathway to translate academic developments into industrial tools, that can substantially advance the analysis and design capabilities of high-end engineering stakeholders. The novel developments and results were achieved using the academic-driven open-source framework Nektar++.

研究の動機と目的

• 学術的な高次CFD研究と自動車空力工学分野における産業応用の間の格差を埋めること。
• 実際の車両に見られる複雑な曲面形状に特有の高次メッシュ生成における主な課題を克服すること。
• スペクトル/$hp$ 要素法を用いて、高レイノルズ数下での完全な高性能車両の安定的かつ高精度な非定常大渇流シミュレーションを可能にすること。
• 高次法が、RANS や DES よりも不規則な流れの物理的特徴をより正確に捉えられることを示すこと。
• Nektar++ のようなオープンソースで学術的なフレームワークが、産業スケールのCFDワークフローに統合可能であることを検証すること。

提案手法

• 幾何曲率を埋め込むことで線形メッシュを変形する、新しい事後的高次メッシュ生成ワークフローを採用し、メッシュの有効性を保ちつつ表面精度を維持した。
• 空間離散化に多項式次数が最大4に達するスペクトル/$hp$ 要素法を用い、幾何学的および解の両方で高次精度を達成した。
• 非線形および乱流流れにおけるアリヤス不安定性を低減するため、エネルギー安定解析（ESA）に基づく一貫した安定化戦略を実装した。
• ESA推定値から導出された新しいCG-SVV（連続ガラーキン－歪対称変分）形式を適用し、明示的なモデル化なしに未解像スケールを自然に正規化した。
• CADfixのCFIインターフェースを介してCADデータを統合し、正確な幾何再構築と高次メッシュ生成を可能にした。
• メッシュ生成、ソルバ、後処理を含む完全なシミュレーションパイプラインを実装・検証するために、オープンソースのNektar++フレームワークを活用した。

Figure 1: Computational resources required to perform the direct numerical simulation (DNS) as a function of the Reynolds number [ 37 ] . Yellow and red lines represent projections on when DNS capabilities are due to become available as computational power increases following two different Moore law

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペクトル/$hp$ 要素法を用いた高次精度の非定常大渇流シミュレーションは、高レイノルズ数下で複雑な自動車形状に対して安定的かつ高精度に実現可能だろうか？
• RQ2 堅牢な事後的高次メッシュ生成パイプラインは、産業用の幾何形状において、幾何精度をどれほど維持しながらメッシュの有効性を保てるだろうか？
• RQ3 ESA推定値に基づくCG-SVVスキームは、明示的な乱流モデルなしに、高次シミュレーションの安定性をどれほど効果的に向上できるだろうか？
• RQ4 高次離散化は、線形メッシュと比較して曲面の滑らかでない境界における人工的拡散をどれほど低減できるだろうか？ これにより、流れの物理的忠実性が向上するだろうか？
• RQ5 学術的な高次CFDツールが産業ワークフローに統合された場合、物理的に忠実でかつ計算的に実行可能である結果が得られるだろうか？

主な発見

• 本研究は、スペクトル/$hp$ 要素法を用いた、実際の車両形状に対する最初の高次（多項式次数4）非定常大渇流シミュレーションを報告する。
• 明示的な乱流モデルが存在しないにもかかわらず、高次スキームが内蔵する数値的拡散のおかげで、安定的かつ高精度なシミュレーション結果が得られた。
• 新規の高次メッシュ生成パイプラインにより、直線的側面を有する要素が5%未満のメッシュが生成され、人工的拡散を最小限に抑えつつも堅牢性を維持した。
• ESA推定値に基づくCG-SVVスキームは、アリヤス不安定性を効果的に抑制し、未解像スケールに対する十分な正規化を提供した。これにより、長時間積分が可能になった。
• 異なるリフト高さ（D1、D2、D3）においても良好な一致が得られたため、シミュレーションが一貫して重要な不規則な流れ特徴を捉えていることが示された。
• 本研究は、高次法が、RANS や DES に依存せずに、不規則な渦構造や空力的力の高精度な解像を可能にすることで、産業CFDにおける精度を顕著に向上させられることを示している。

Figure 2: Valid and invalid high-order elements.