[论文解读] High-Resolution Numerical Simulations of a Large-Scale Helium Plume Using Adaptive Mesh Refinement

Nicholas T. Wimer, Marc Day+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows参考文献 57被引用 5

一句话总结

本研究采用自适应网格加密（AMR）对直径1 m的氦气羽流进行高分辨率数值模拟，发现当分辨率低于3.91 mm至1.95 mm时，羽流动力学发生显著改变，这是由于羽流中心线附近出现瑞利-泰勒不稳定性所致。该不稳定性导致氦气-空气混合区域形成，破坏了理想核心结构，并使脉动频率超出经验预测值，从而为大涡模拟中浮力流的亚网格尺度模型提供了高保真度验证数据集。

ABSTRACT

The physical characteristics and evolution of a large-scale helium plume are examined through a series of numerical simulations with increasing physical resolution using adaptive mesh refinement (AMR). The five simulations each model a 1~m diameter circular helium plume exiting into a (4~m)$^3$ domain, and differ solely with respect to the smallest scales resolved using the AMR, spanning resolutions from 15.6~mm down to 0.976~mm. As the physical resolution becomes finer, the helium-air shear layer and subsequent Kelvin-Helmholtz instability are better resolved, leading to a shift in the observed plume structure and dynamics. In particular, a critical resolution is found between 3.91~mm and 1.95~mm, below which the mean statistics and frequency content of the plume are altered by the development of a Rayleigh-Taylor instability near the centerline in close proximity to the base of the plume. This shift corresponds to a plume "puffing" frequency that is slightly higher than would be predicted using empirical relationships developed for buoyant jets. Ultimately, the high-fidelity simulations performed here are intended as a new validation dataset for the development of subgrid-scale models used in large eddy simulations of real-world buoyancy-driven flows.

研究动机与目标

• 通过高保真度模拟研究数值分辨率对大尺度氦气羽流动力学的影响。
• 确定准确捕捉浮力羽流中凯尔文-亥姆霍兹和瑞利-泰勒不稳定性等关键不稳定性所需的最小分辨率。
• 提供一个经过网格收敛的高保真度数据集，其初始条件和边界条件明确，以供未来大涡模拟（LES）亚网格尺度（SGS）模型的验证。
• 研究分辨率不足对平均统计量和瞬态行为的影响，特别是脉动频率和核心结构。
• 评估观测到的羽流动力学转变是否对应于高雷诺数浮力射流的标度律转变。

提出的方法

• 在(4 m)³域内对直径1 m的氦气羽流进行五次模拟，采用自适应网格加密（AMR），分辨率范围从15.6 mm降至0.976 mm。
• 采用有限体积法，空间和时间离散化均达到二阶精度，以确保至二阶统计量的网格收敛性。
• 采用明确的初始和边界条件设置，不使用亚网格尺度模型，从而实现在不同分辨率间的直接比较。
• 追踪氦气质量分数、速度场和涡度的演化，以分析混合过程、剪切层发展及不稳定性动力学。
• 分析不同模拟中脉动频率与羽流结构的变化，以检测流动行为的分辨率依赖性转变。
• 识别出一个关键分辨率范围（3.91 mm至1.95 mm），在此范围内瑞利-泰勒不稳定性开始出现，并从根本上改变羽流动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大尺度氦气羽流中，准确解析凯尔文-亥姆霍兹和瑞利-泰勒不稳定性所需的最小空间分辨率是多少？
• RQ2 提高分辨率如何影响理想核心区域的形成以及羽流底部附近氦气-空气混合区域的发展？
• RQ3 与经验标度律相比，分辨率在多大程度上影响羽流的脉动频率？
• RQ4 随着分辨率提高，二阶统计量（如平均速度和湍流动能）如何收敛？
• RQ5 当分辨率足以解析瑞利-泰勒不稳定性时，脉动频率是否发生向次级标度 regime 的转变？

主要发现

• 识别出一个关键分辨率范围（3.91 mm至1.95 mm），低于此范围时，由于中心线附近出现瑞利-泰勒不稳定性，羽流动力学发生显著改变。
• 在低于临界阈值的分辨率下，会形成持久的理想核心区域，且脉动频率与Cetegen1996年报告的Ri < 100情况下的经验预测一致。
• 在更高分辨率下，由于瑞利-泰勒不稳定性，理想核心被强烈的氦气-空气混合区域取代，导致脉动频率高于主经验标度的预测值。
• 在高分辨率下观测到的脉动频率略低于Cetegen1998a提出的次级标度，但代表向不同动力学状态的转变。
• 二阶统计量（包括平均速度和湍流动能）在0.976 mm的最细分辨率下实现网格收敛，证实了模拟的保真度。
• 具有已知初始和边界条件的高保真度数据集已被验证为适用于未来大涡模拟中真实浮力驱动流的亚网格尺度模型的开发与验证。