Development of a hybrid compressible vortex particle method and application to external problems including helicopter flows - Παπαδακης, Γιωργος (Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2014)
Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας νέας υβριδικής μεθοδολογίας CFD για την επίλυση εξωτερικών αεροδυναμικών ροών. Η ιδέα πίσω από την εργασία ήταν η ανάγκη για προσομοιώσεις σύνθετων προβλημάτων στα οποία κυριαρχούν ισχυρές δομές στροβιλότητας και που υπάρχουν σώματα τα οποία κινούνται ανεξάρτητα μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν δύο υπολογιστικά εργαλεία τα οποία συνενώθηκαν σε ένα υβριδικό επιλυτή. Πιο συγκεκριμένα: Ο Eulerian CFD επιλυτής (MaPFlow): Αναπτύχθηκε ένας συμπιεστός URANS επιλυτής που λύνει πάνω σε μή δομημένα πλέγματα. Ο συγκεκριμένος επιλυτής είναι εφοδιασμένος με προσταθεροποιητή για χαμηλούς αριθμούς Mach για την προσομοίωση ασυμπίεστων ροών. Η μοντελοποίηση της τύρβης γίνεται είτε με το μοντέλο μίας εξίσωσης του Spalart-Almaras είτε με το μοντέλο δύο εξισώσεων k-ω SST του Menter. Ακόμη, ο επιλυτής μπορεί να χειριστεί κινούμενα ή παραμορφώσιμα πλέγματα ενώ έχει παραλληλοποιηθεί με τη χρήση του πρωτοκόλλου MPI. O Lagrangian επιλυτής: Διατυπώθηκε και αναπτύχθηκε ένας συμπιεστός Lagrangian επιλυτής που χρησιμοποιεί στοιχεία στροβιλότητας. Η συγκεκριμένη διατύπωση χρησιμοποιεί στοιχεία ρευστού που μεταφέρουν μάζα, μεταβολή του όγκου, στροβι- λότητα, ενέργεια και όγκο για να μπορεί να διαχειριστεί συμπιεστές ροές. Για να μειωθεί το υπολογιστικό κόστος του επιλυτή χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Particle Mesh (PM) η οποία παραλληλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του James- Lackner. Σύυζευξη των δύο επιλυτών σε ένα υπολογιστικό εργαλειό (HoPFlow): Υλοποιήθηκε ισχυρή σύζευξη των Eulerian και Lagrangian επιλυτών σε μία υβριδική μεθοδολογία. Η σύζευξη έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε να διασφαλίζει συνέχεια και συνέπεια της λύσης ανάμεσα στους δύο επιλυτές. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία έχουν σκοπό την πιστοποίηση των εργαλείων που υλοποιήθηκαν. Αρχικά, παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν την πιστοποίηση του Εulerian URANS επιλυτή. Η πιστοποίηση περιλαμβάνει συγκρίσεις με πειραματικά αλλά και υπολογιστικά δεδομένα σε διάφο- ρες διδιάστατες και τριδιάστατες ροές. Στη συνέχεια, ακολουθεί η πιστοποίηση του υβριδικού επιλυτή όπου γίνεται σύγκριση με τα αντίστοιχα Eulerian αποτελέσματα αλλά και με πειραματικά δεδομένα. Οι περιπτώσεις πιστοποίησης που εξετάστηκαν περιλαμβάνουν διδιάστατες ροές γύρω από σταθερές και κινούμενες αεροτομές σε πληθώρα αριθμών Reynolds και Mach. Οι τρισδιάστατες περιπτώσεις που παρουσιάζονται αφορούν ροές γύρω από σταθερά και περιστρεφόμενα πτερύγια (Δρομείς Ανεμογεννητριών και Ελικοπτέρου). Η χρήση των υπολογιστικών εργαλείων σε πληθώρα περιπτώσεων έδειξαν ότι και ο Εulerian CFD επιλυτής (MaPFlow) όπως και ο υβριδικός επιλυτής (HoPFlow) παράγουν ικανοποιητικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, ο υβριδικός επιλυτής έχει λιγότερη διάχυση από τον Eulerian και για αυτό στις περιπτώσεις όπου κυριαρχούν ισχυροί στρόβιλοι (όπως ο δρομέας ελικοπτέρου σε αιώρηση) τα αποτελέσματα που παράγονται είναι καλύτερα. Θα πρέπει να τονιστεί ότι οι περισσότερες περιπτώσεις που εξετάστηκαν, είναι απλούστερες από αυτές για τις οποίες αναπτύχθηκε η υβριδική μέθοδος. Παρόλα αυτά, η επιλογή τους έγινε με σκοπό την πιστοποίηση της καινούργιας μεθόδου που προηγείται της χρήσης της σε πιο σύνθετες ροές.