Computational Fluid Dynamics of airflows inside buildings: a comprehensive review of the cavity flow benchmark

Denne masteroppgaven presenterer en omfattende gjennomgang av «cavity flow» benchmarket, med den hensikt å validere RANS turbulensmodeller for mikseventilasjonsformål. CFD brukes mer og mer for luftstrømmer inne i bygninger. Det kan være et kraftig verktøy for å optimalisere ventilasjonssystemer, og de siste tiårenes økning i tilgjengeligheten av datakraft har gjort CFD simuleringer mindre tidkrevende. To nylige studier har imidlertid stilt spørsmål ved nøyaktigheten av CFD simuleringer anvendt for innendørs luftstrømmer. I disse studiene har flere forskergrupper blitt spurt om å simulere to benchmarker, representative for mikseventilasjonsformål. En bekymringsfull spredning ble sett i resultatene, som indikerer at resultatet fra en CFD simulering er veldig avhengig av hvilke valg som blir gjort av brukeren. Disse studiene understreker nødvendigheten av å validere CFD opp mot representative benchmarker med tilgjengelige eksperimentelle data. For å adresse dette gir denne masteroppgaven en omfattende gjennomgang av de tilgjengelige «cavity flow» benchmarkene – representative for mikseventilasjon – med det overordnede målet å etablere en beste bruksmåte av RANS turbulensmodeller for mikseventilasjonsformål. Syv benchmarker presenteres i denne oppgaven. Deres geometri, strømningsregime, eksperimentelle oppsett og typen eksperimentelle data som er tilgjengelig introduseres først, før simuleringer av benchmarkene gjort av andre forskere presenteres i litteraturstudiet. Fokuset er på hvor bra to-liknings RANS turbulensmodeller greier å produsere resultater som gir samsvar med de eksperimentelle dataene. Dette er fordi resultatene fra den foregående prosjektoppgaven indikerte at valget av turbulensmodell er den enkelt input parameteren med størst påvirkning på resultatet, og RANS turbulensmodeller er mye brukt i industrien. Hvor godt turbulensmodellene har prestert i litteraturen oppsummeres før CFD simuleringer fra denne oppgaven presenteres. Ytelsen til turbulensmodellene varier betydelig fra benchmark til benchmark, noe som var forventet siden de representerer ulike utfordringer. Ingen av de testede turbulensmodellene greier å produsere tilfredsstillende resultater for alle benchmarkene, noe som understreker viktigheten av å velge en passende turbulensmodell for et spesifikt tilfelle. Resultatene indikerer at k-ε modellene gir best resultat for benchmarkene med fullt turbulent strømning, spesielt standard k-ε modellen. SST k-ω modellen gir dårligere samsvar med eksperimentene for de fullt turbulente benchmarkene og virker å overpredikere makshastigheten i en fullt turbulent vegg jet. For et benchmark i overgangsregime derimot, gir SST k-ω modellen best samsvar med de eksperimentelle dataene og standard k-ε modellen det verste. Det er dog ikke alltid helt klart hva som forårsaker endringen i ytelsen til turbulensmodellene fordi flere karakteristikker – geometri, strømningsregime og effekten av motstående trykkgradient – endres fra benchmark til benchmark. Resultatene indikerer også at innløpsverdiene for k og ε/ω har større påvirkning på resultatet for strømninger med lavt Reynoldstall enn høyt. Majoriteten av resultatene fra denne oppgaven stemmer overens med resultatene fra litteraturen, men SST k-ω modellen gir resultater som ikke stemmer med de fra litteraturen for to av tilfellene. Fra oppdagelsene i denne oppgaven gis det noen beste bruksmåte anbefalinger, men det trengs også videre arbeid for å konkludere på hva som forårsaker variasjoner sett i ytelsen til turbulensmodellene. Spesielt er det et behov for flere benchmarks som systematisk endrer en og en karakteristikk av gangen. Dette vil gi muligheten til å si med mer sikkerhet hvilke karakteristikker av «cavity flow» strømningen de forskjellige RANS modellene er kapable til å modellere korrekt