Simulación de flujos compresibles con openFoam™

Maestría en Ciencias De La Ingeniería - Mención AeroespacialEn esta tesis se describen los resultados obtenidos con las simulaciones numéricas de dos tipos de problemas en los cuales el fluido debe necesariamente ser considerado compresible. En uno, se simula un caso de combustión difusiva turbulenta a baja velocidad y en otro, la simulación se aplica a casos típicos de aerodinámica supersónica. Ambas simulaciones fueron desarrolladas aplicando las herramientas de libre distribución que provee openfoam™. Con la combustión se utilizan ecuaciones de conservación inestacionarias para la masa, los momentos, la energía y la conservación de las especies, promediadas según Favre y para la turbulencia se emplea un modelo k −ε modificado. Para resolver las ecuaciones de conservación discretizadas, se emplea el método PISO (Pressure Implicit with Splitting of Operators), que conlleva a la derivación de una ecuación independiente para la presión. La cinética química es modelada mediante una única reacción global y para tener en cuenta la interacción química-turbulencia se implementa el concepto del reactor parcialmente mezclado. El cálculo de los términos fuentes presentes en las ecuaciones de conservación de las especies químicas, requiere la integración de ecuaciones diferenciales ordinarias stiffs. openFoam proporciona un esquema numérico que garantiza estabilidad en el cómputo de estos términos. La simulación numérica del benchmark conocido como llama D, se compara con datos experimentales obtenidos por Sandia National Laboratories. Las simulaciones numéricas de los flujos supersónicos son desarrolladas empleando los ejecutables sonicFoam y rhoCentralFoam. Las principales diferencias entre estos ejecutables son: sonicFoam usa la presión como variable dependiente y en consecuencia utiliza el método PISO como técnica resolutiva; rhoCentralFoam mantiene la densidad como variable dependiente y en lugar de usar solvers de Riemann como técnica resolutiva, emplea los esquemas alternativos de Kurganov et al. . En esta tesis se evalúan las ventajas y desventajas derivadas de la aplicación en simulaciones supersónicas, de los dos ejecutables citados. Con tal propósito, los siguientes flujos supersónicos fueron considerados: la cuña (o rampa), perfil tipo doble cuña y el cuerpo romo (bidimensional y axisimétrico). Estos flujos tienen solución analítica o cuentan con datos experimentales con que comparar los resultados de las simulaciones numéricas. En todos los casos se supone que el fluido (aire) se comporta como un gas no viscoso y calórico perfecto.This thesis describes results obtained from numerical simulations of two types of problems in which the fluid flow must necessarily be considered compressible. In one type, a low speed diffusive combustion problem is simulated and in the other one, the simulation is applied to typical supersonic aerodynamics problems. Both simulations were developed by employing free distribution tools provided by openFoam. Favre averaged unsteady mass, momentum, energy and species conservation equations are used in the combustion problem and to account for turbulence, a modified k-e model is used. The conservation equations are solved utilizing a pressure implicit with splitting of operators (PISO) algorithm, which requires the addition of an extra equation for the pressure. The chemical kinetics is modeled by only one step global reaction and the partially stirred reactor concept (PaSR) is implemented to consider chemistry-turbulence interactions. To compute source terms in the species conservation equations, sets of stiff ordinary differential equations (ODEs) have to be solved. openFoam provides a numerical scheme that ensure well enough stability in computing these terms. A numerical simulation of the Sandia flame “D” is compared with experimental data available from Sandia National Laboratories (USA). Supersonic flow numerical simulations, are performed with sonicFoam and rhoCentralFoam solvers. The main difference between them arise from the fact that sonicFoam uses the pressure as dependent variable and, consequently, the PISO algorithm, whereas rhoCentralFoam keeps density as a dependent variable and, therefore, can use the central schemes introduced by Kurganov et al. as resolvent technique. In this thesis, the advantages and disadvantages of the cited solvers to handle supersonic flow simulations are evaluated by applying them to three cases: flow over a wedge, a double wedge airfoil and over two dimensional and axial symmetrical blunt bodies. These flow cases have analytical solutions or available experimental data to compare with numerical simulations results. In all cases the flow (air) is assumed to behave as a inviscid and caloric perfect gas.Fil: Gutiérrez Marcantoni, Luis F. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina.Fil: Gutiérrez Marcantoni, Luis F. Fuerza Aérea Argentina. Universidad de la Defensa Nacional. Centro Regional Universitario Córdoba IUA; Argentina