Mô phỏng số trực tiếp các dòng chảy dốc katabatic hỗn loạn với phương pháp biên nhúng

Springer Science and Business Media LLC - Tập 164 - Trang 367-382 - 2017
Clancy Umphrey1, Rey DeLeon1,2, Inanc Senocak1
1Boise State University, Boise, USA
2University of Idaho, Moscow, USA

Tóm tắt

Chúng tôi nghiên cứu một phương pháp biên nhúng lưới Cartesian trong trình giải dòng chảy không nén được để mô phỏng các dòng chảy dốc katabatic laminar và hỗn loạn. Như một nghiên cứu chứng minh khái niệm, chúng tôi xem xét bốn phương án tái tạo biên nhúng khác nhau để áp dụng điều kiện biên loại Neumann lên trường độ nổi. Giải pháp laminar của Prandtl được sử dụng để chứng minh độ chính xác bậc hai của các giải pháp số trên toàn cục. Tiếp theo, mô phỏng số trực tiếp của dòng chảy katabatic hỗn loạn được thực hiện để điều tra tính khả thi của các phương án được đề xuất trong chế độ hỗn loạn bằng cách phân tích cả thống kê bậc nhất và bậc hai của độ hỗn loạn. Thống kê bậc nhất cho thấy các mô phỏng dòng chảy katabatic hỗn loạn nhạy cảm rõ rệt với các chi tiết của phương pháp biên nhúng. Chúng tôi phát hiện ra rằng các phương án tái tạo hoạt động tốt trong chế độ laminar có thể không hoạt động hiệu quả khi áp dụng vào chế độ hỗn loạn. Phương án tái tạo biên nhúng mà chúng tôi đề xuất phù hợp chặt chẽ với các giải pháp tham chiếu được điều chỉnh theo địa hình trong cả hai chế độ dòng chảy.

Từ khóa

#Dòng chảy katabatic #mô phỏng số trực tiếp #phương pháp biên nhúng #động lực học chất lỏng #thống kê độ hỗn loạn

Tài liệu tham khảo

Cuxart J, Jimnez MA, Martnez D (2007) Nocturnal meso-beta basin and katabatic flows on a midlatitude island. Mon Weather Rev 135(3):918–932 DeLeon R, Felzien K, Senocak I (2012) Toward a GPU-accelerated immersed boundary method for wind forecasting over complex terrain. In: ASME 2012 fluids engineering division summer meeting, vol 1, pp 8–12 DeLeon R, Jacobsen D, Senocak I (2013) Large-eddy simulations of turbulent incompressible flows on GPU clusters. Comput Sci Eng 15(1):26–33 Fadlun EA, Verzicco R, Orlandi P, Mohd-Yusof J (2000) Combined immersed-boundary finite-difference methods for three-dimensional complex flow simulations. J Comput Phys 161(1):35–60 Fedorovich E, Shapiro A (2009) Structure of numerically simulated katabatic and anabatic flows along steep slopes. Acta Geophys 57(4):981–1010 Ferziger JH, Perić M (2012) Computational methods for fluid dynamics. Springer, Berlin, 426 pp Gilmanov A, Acharya S (2008) A hybrid immersed boundary and material point method for simulating 3D fluid–structure interaction problems. Int J Numer Methods Fluids 56(12):2151–2177 Gilmanov A, Sotiropoulos F (2005) A hybrid Cartesian/immersed boundary method for simulating flows with 3D, geometrically complex, moving bodies. J Comput Phys 207(2):457–492 Gilmanov A, Sotiropoulos F, Balaras E (2003) A general reconstruction algorithm for simulating flows with complex 3D immersed boundaries on Cartesian grids. J Comput Phys 191(2):660–669 Jacobsen DA, Senocak I (2011) A full-depth amalgamated parallel 3D geometric multigrid solver for GPU clusters. In: 49th AIAA aerospace science meeting Jacobsen DA, Senocak I (2013) Multi-level parallelism for incompressible flow computations on GPU clusters. Parallel Comput 39(1):1–20 Kang S, Iaccarino G, Ham F (2009) DNS of buoyancy-dominated turbulent flows on a bluff body using the immersed boundary method. J Comput Phys 228(9):3189–3208 Mahrt L (2014) Stably stratified atmospheric boundary layers. Ann Rev Fluid Mech 46(1):23–45 Mahrt L (2016) Stably stratified flow in a shallow valley. Boundary-Layer Meteorol 162:1–20 Mittal R, Iaccarino G (2005) Immersed boundary methods. Annu Rev Fluid Mech 37:239–261 Mohd-Yusof J (1997) Combined immersed-boundary/b-spline methods for simulations of flow in complex geometries. CTR Annual Research Briefs, Center for Turbulence Research, NASA Ames Research Center/Stanford University, pp 317–327 Pacheco-Vega A, Pacheco JR, Rodić T (2007) A general scheme for the boundary conditions in convective and diffusive heat transfer with immersed boundary methods. J Heat Transf 129(11):1506–1516 Papadopoulos KH, Helmis CG (1999) Evening and morning transition of katabatic flows. Boundary-Layer Meteorol 92(2):195–227 Parish T, Waight K III (1987) The forcing of Antarctic katabatic winds. Mon Weather Rev 115(10):2214–2226 Peskin CS (1972) Flow patterns around heart valves: a numerical method. J Comput Phys 10(2):252–271 Pope SB (2000) Turbulent flows. Cambridge University Press, Cambridge, 806 pp Prandtl L (1942) Führer durch die Strömungslehre. Vieweg und Sohn, Berlin , 790 pp Senocak I, Ackerman AS, Stevens DE, Mansour NN (2004) Topography modeling in atmospheric flows using the immersed boundary method. Center for Turbulence Research, NASA-Ames/Stanford University, Annual Research Briefs Senocak I, Ackerman AS, Kirkpatrick MP, Stevens DE, Mansour NN (2007) Study of near-surface models for large-eddy simulations of a neutrally stratified atmospheric boundary layer. Boundary-Layer Meteorol 124(3):405–424 Senocak I, Sandusky M, DeLeon R, Wade D, Felzien K, Budnikova M (2015) An immersed boundary geometric preprocessor for arbitrarily complex terrain and geometry. J Atmos Ocean Technol 32(11):2075–2087 Shapiro A, Fedorovich E (2004) Unsteady convectively driven flow along a vertical plate immersed in a stably stratified fluid. J Fluid Mech 498:333–352 Shapiro A, Fedorovich E (2007) Katabatic flow along a differentially cooled sloping surface. J Fluid Mech 571:149–175 Skyllingstad ED (2003) Large-eddy simulation of katabatic flows. Boundary-Layer Meteorol 106(2):217–243 Smolarkiewicz PK, Sharman R, Weil J, Perry SG, Heist D, Bowker G (2007) Building resolving large-eddy simulations and comparison with wind tunnel experiments. J Comput Phys 227(1):633–653 Sotiropoulos F, Yang X (2014) Immersed boundary methods for simulating fluid-structure interaction. Prog Aerosp Sci 65:1–21 Tannehill JC, Anderson D, Pletcher RH (1997) Computational fluid mechanics and heat transfer. Series in computational and physical processes in mechanics and thermal sciences, 2nd edn. Taylor & Francis, London, 816 pp Thibault JC, Senocak I (2012) Accelerating incompressible flow computations with a Pthreads-CUDA implementation on small-footprint multi-GPU platforms. J Supercomput 59:693–719 Tseng Y, Ferziger J (2003) A ghost-cell immersed boundary method for flow in complex geometry. J Comput Phys 192(2):593–623 Umphrey C, DeLeon R, Senocak I (2016) A Cartesian immersed boundary method to simulate stably stratified turbulent flows. In: 54th AIAA aerospace science meeting van Heerwaarden C, van Stratum B, Heus T (2017a) microhh/microhh 1.0.0_RC6. https://doi.org/10.5281/zenodo.401381 van Heerwaarden C, van Stratum B, Heus T, Gibbs J, Fedorovich E, Mellado J (2017b) MicroHH 1.0: a computational fluid dynamics code for direct numerical simulation and large-eddy simulation of atmospheric boundary layer flows. In: Geoscientific model development discussions. http://www.geosci-model-dev-discuss.net/gmd-2017-41/ Zhang N, Zheng Z, Eckels S (2008) Study of heat-transfer on the surface of a circular cylinder in flow using an immersed-boundary method. Int J Heat Fluid Flow 29(6):1558–1566