Turbulent Boundary-Layer Simulations – comparison with experiments

Turbulent strømning av gassar og væsker spelar ei viktig rolle innanfor mange ulike bruksområde. Døme på dette er atmosfæriske grensesjikt, aero- og hydrodynamikken til fartøy og miksing i forbrenningsprosessar. I eit samfunnstryggleiksperspektiv er det til dømes vanskeleg å predikere spreiing av farlige emne i form av gassar og partiklar utan å ta omsyn til turbulent transport. I maritim sektor er det naudsynt å kunne skildre turbulente rørsler med stor grad av nøyaktigheit for å kunne berekne strømningsmotstand og strømningsindusert støy både på overflatefartøy, undervassbåtar og taua antennesystem. På same måte er designoptimering av fly og bilar for å redusere luftmotstand heilt avhengig av god kunnskap om turbulente strømningar.

I mange tilfelle er det mogleg å utføre enten fullskala eller modellskala målekampanjar for å få kunnskap om turbulens. Ein fordel med målingar er at ein ikkje treng å modellere strømninga, samtidig som det er mogleg å ekstrahere sanntidsdata. På den andre sida vert målingar ofte prega av støy, noko som gjer det vanskeleg å ekstrahere gode data. På grunn av avgrensingar ved måleteknikk er det generelt heller ikkje mogleg å samle inn alle data ein ønsker.

Den raske utviklinga i programvare og datakapasitet har medført at simuleringsmodellar basert på løysing av Navier-Stokes-likningar blir stadig meir eigna som verktøy for å studere turbulente strømningar. Nyleg har det vorte mogleg å bruke nøyaktige metodar, slik som Large Eddy-simulering (LES), på stadig meir komplekse problemstillingar. Sidan LES-metodar krev stor reknekraft, treng ein å avgrense berekningsområdet så mykje som mogleg. Ei slik avgrensing gjer at ein vert nøydd til å anta at den innkomande turbulente strømninga oppfører seg på ein spesiell måte. Ein set altså kunstige randkrav.

I denne rapporten har LES blitt brukt til å studere to turbulente grensesjikt med høge Reynoldstal. I begge tilfella har resultat frå vindtunnel vore tilgjengeleg for samanlikning, og i begge tilfella har ein syntetisk turbulensgenerator blitt brukt for å skape randvilkår for den innkomande strømninga.

Resultata viser at den syntetiske turbulensgeneratoren fungerer godt for begge strømningane. Sjølv om høg romleg oppløysing er naudsynt for å oppnå gode estimat på veggfriksjonen, vert dei store skalaene i turbulensen godt skildra, til og med for relativt låg oppløysing. Dette er viktig sidan desse strukturane er essensielle både i transport av aerosolar og i støygenerering.