Wybrane aspekty modelowania turbulencji – modele RANS, LES, przejście laminarno-turbulentne oraz lattice Boltzmann method (LBM)

Opis

Data i miejsce

19-20 września 2019, Warszawa

Cel szkolenia

Celem szkolenia jest przybliżenie zasad modelowania przepływów burzliwych, w tym uwzględniających wymianę ciepła, za pomocą metod CFD. Zajęcia są kierowane do praktyków CFD (inżynierów i naukowców) i przedstawią szereg podejść modelowania zjawisk zachodzących w przepływach turbulentnych, przede wszystkim przejściu laminarno-turbulentnemu. Każde zjawisko będzie omawiane na przykładach o znaczeniu inżynierskim (łopatki turbin, generatory wirów, strumienie chłodzące). Dogłębnie wytłumaczymy podstawowe modele uśrednione (Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS), modelowanie wielkich wirów (Large Eddy Simulation, LES) oraz tzw. modele przejścia (laminar-to-turbulent transition, LTT). Przedyskutujemy m.in. czułość modeli RANS na typ warunków brzegowych szereg ograniczeń tego podejścia. W szczególności przyjrzymy się kwestii przepływów masywnie oderwanych oraz konwekcyjnej wymianie ciepła, gdzie użycie RANS może skutkować bardzo dużymi błędami.

W drugiej części omówimy model LES i zilustrujemy go wynikami symulacji CFD (quasi-DNS). Wprowadzimy również techniki oceny jakości wyników symulacji CFD-LES – m.in. funkcje autokorelacji oraz oceny rozdzielczości siatki obliczeniowej. Ponadto przedstawimy tzw. Metodę Gazu Sieciowego Boltzmanna, (lattice Boltzmann method, LBM), ze względu na szereg jej zalet waśnie pod kątem modelowania LES. Dotkniemy zarówno aspektów teoretycznych LBM oraz jej rozwoju zwłaszcza pod kątem modelowania przepływów turbulentnych.

Plan zajęć

Dzień 1:

9:00 – Wprowadzenie do przepływów turbulentnych – opis i podstawowe założenia model RANS.

10:30 – Omówienie wybranych modeli dwurównaniowych RANS w oparciu o przykłady:

    • modele k-epsilon, w tym Realizable k-epsilon,
    • k-omega,
    • k-omega SST

Dyskusja nt. ograniczeń modelu – odpowiedzi na pytania:

    • Dlaczego RANS nie zdaje egzaminu przy modelowaniu masywnego oderwania przepływu?
    • W których obszarach przepływu wielkości turbulentne (np. energia kinetyczna i skala długości struktur wirowych) są przeszacowywane?
    • Jak to się koreluje z gęstością siatki obliczeniowej?

13:00 – Lunch

14:00 – Warunki wlotowe dla modelowanych skalarów modeli RANS (k, epsilon, omega). Które modele są bardzo czułe, a które słabo czułe na warunki brzegowe?

14:30 – Modele RANS dla konwekcyjnej wymiany ciepła – wprowadzenie i dodatkowe pojęcia:

  • Równanie energii
  • Hipoteza gradientowa
  • Turbulentna liczba Prandtla

Przykłady, kiedy modele RANS znacznie przeszacowują albo niedoszacowują strumienia ciepła

16:00 – Wprowadzenie do modelowania wielkich wirów, Large Eddy Simulation (LES).

 

Dzień 2:

9:00 – LES kontynuacja – odpowiedzi na następujące pytania:

  • Jak ocenić jakość i dokładność symulacji LES oraz jak właściwie dokonać post-processingu wyników – stosowne średnie, naprężenia, korelacje dwupunktowe i autokorelacje
  • Jak dobrać odpowiednią gęstość siatki i krok czasowy symulacji by dostatecznie dobrze odwzorować struktury wirowe?

10:30 – LES dla przepływów masywnie oderwanych. Dyskusja dot. konwekcyjnej wymiany ciepła oraz porównanie LES z modelami RANS. Odpowiedź na pytania:

  • Czy zawsze należy stosować modele nieustalone dla przepływów oderwanych?
  • Kiedy modele RANS stają dają zupełnie złe wyniki dla współczynników wymiany ciepła?

11:00 – Wprowadzenie do Metody Gazu Sieciowego Boltzmanna, LBM. Przykładowe wyniki symulacji LBM-LES

13:00 – Lunch

14:00 – Wprowadzanie do mechaniki przejścia laminarno-turbulentengo w warstwie przyściennej. Omówienie wybranych modeli i wyników przykładowych symulacji

15:30 – Modelowanie przejścia laminarno-turbulentnego – różnice między przepływami przejściowymi a w pełni turbulentnymi

18:00 – Zakończenie kursu

W czasie przerw będą serwowane kawa, herbata, zimne napoje i drobne przekąski. Lunch wliczony jest w cenę kursu.

Wiedza i umiejętności

W ramach kursu uczestnicy nabędą następującą wiedzę:

  • znajomość podstawowych założeń i zakresu stosowalności modeli RANS,
  • świadomość skutków niewłasciwego użycia modeli turbulencji (rozbieżności, błędy) w oparciu o przegląd inżynierskich przypadków obliczeniowych,
  • wiedza nt. stosowalności modeli turbulencji wraz z modelami wymiany ciepła understand, w szczególności wpływu wielkości turbulentnych na transport ciepła,
  • znajomość zasad przygotowania siatek i post-processingu wyników symulacji LES,
  • jak stosować pakiety komercyjne CFD przy modelowaniu zjawiska turbulencji z pożądaną dokładnością,
  • zrozumienie mechaniki zjawiska przejścia laminarno-turbulentnego oraz założeń modeli numerycznych, m.in. jak zdefiniowane sa różne modele domnięcia dla równań zjawisk LTT,
  • ogólny pogląd dot. metody lattice Boltzmann – jej zalety i ograniczenia w stosunku do klasycznych metod CFD typu FVM oraz FEM.

Adresaci szkolenia

Kurs jest kierowany do inżynierów mających na co dzień do czynienia z modelowaniem przepływów turbulentnych. Zapraszamy serdecznie również osoby ze środowiska naukowego, zwłaszcza te nastawione na pratyczne aspekty w tym obszarze modelowania CFD.

Sylwetki prowadzących

Dr hab. inż. Sławomir Kubacki – główny prowadzący

Prof. Sławomir Kubacki jest ekspertem w obszarze modelowania turbulencji o 20-letnim doświadczeniu i międzynarodowej renomie. Specjalizuje się w modelowaniu tzw. przejścia laminarno-turbulentnego oraz modelach hybrydowych RANS/LES. Jego głównym osiągnięciem naukowym jest model przejścia w postaci równań transportu tzw. intermitencji połączony z modelem k-omega. Prof. Kubacki jest autorem ponad 50 prac i wystąpień konferencyjnych oraz ma ponad 350 cytowań. Swoją przygodę z modelowaniem rozpoczął w 2000 roku, kiedy to pracował w AEA-Technology w Otterfing w Niemczech. Tam jego przełożonym był dr Florian Menter, obecnie główny specjalista CFD w firmie ANSYS. Po obronie doktoratu (rok 2005, Politechnika Częstochowska), dr Kubacki pracował na Uniwersytecie w Getyndze. Następnie powrócił do Polski, tym razem na Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, gdzie uzyskał tytuł doktora habilitowanego (i profesora PW) w roku 2017. W ramach pracy na Wydz. MEiL m.in. kierował projektem modelowania CFD i przejścia laminarno-turbulentnego w projekcie turbiny niskiego ciśnienia współrealizowanym przez Avio-Aero.

Dr inż. Bartosz Górecki, prezes QuickerSim – prowadzący część wstępną dotycząca modeli RANS i LES

Prezes oraz założyciel QuickerSim a także Doktor Nauk Technicznych w dziedzinie Obliczeniowej Mechaniki Płynów. Posiada rozległą wiedzę na temat modelowania turbulencji oraz algorytmów numerycznych do rozwiązywania zagadnień elementów skończonych i spektralnych. Swoją pracę inżynierską przygotowywał podczas stypendium na RWTH Aachen University (Niemcy). Następnie rozpoczął badania na Politechnice Warszawskiej. W 2012 roku zdobył pierwsze miejsce w ogółnopolskim konkursie na najlepszą pracę magisterską z zakresu CFD. Od tamtej pory pracował przy wielu projektach naukowych i przemysłowych obejmujących modelowanie turbin wiatrowych i gazowych (GE i Avio) oraz aerodynamiki odrzutowców wojskowych. Uczestniczył również w szkoleniach z modelowania turbulencji (Chalmers University, Szwecja), równoległych obliczeń (CINECA w Bolonii, HLRS w Stuttgarcie, LRZ w Monachium) oraz konferencjach m.in. w Barcelonie (Eccomas 2014) i Rzymie (FEF 2017).

Dr inż. Wojciech Regulski, wiceprezes QuickerSim – prowadzący moduł dotyczący lattice Boltzmann method (LBM)

Współzałożyciel oraz wiceprezes QuickerSim. Doktor Nauk Technicznych w dziedzinie Obliczeniowej Mechaniki Płynów. Jego badania naukowe skupiały się na metodzie lattice Boltzman (LBM) dla przepływów w ośrodkach porowatych. W 2009 roku zdobył tytuł inżyniera na University of Erlangen (Niemcy). W 2011 roku wygrał ogólnopolski konkurs na najlepszą pracę magisterską w dziedzinie CFD. w 2016 roku zdobył pierwsze miejsce w konkursie na najlepszą pracę młodego naukowca podczas Krajowej Konferencji Mechaniki Płynów. Podczas gdy jego badania do pracy doktorskiej skupiały się na metodzie LBM, poszerzył on również  swoją wiedzę z zakresu mechaniki płynów i programowania.  Posiada on rozległe doświadczenie dydaktyczne z tego zakresu. Podczas doktoratu spędził również 1.5 roku na stypendium na University of Queensland w Australii. Integrował tam rozwiązania CFD z oprogramowaniem “Ocean” stosowanym w przemyśle Oil&Gas oraz rozwijał modele numeryczne dla płynów lepkoplastycznych.

Miejsce

 ul. Rektorska 4, 00-614 Warszawa – CZIiTT PW – Centrum Zarządzania Innowacjami i Transferem Technologii Politechniki Warszawskiej

Photo by Kamil Gliwiński on Unsplash

Rejestracja i opłaty

Nr konta do rozliczeń: 27 1140 2004 0000 3802 7578 7945

 

Dane kontaktowe

QuickerSim Sp. z o.o.

ul. Stanisława Noakowskiego 4/8

00-666 Warszawa

E-mail: contact@quickersim.com

Numer telefonu: +48 514 021 542