Spectral analysis of the turbulent energy cascade and the development of a novel nonlinear subgrid-scale model for large eddy simulation.

Análise spectral da cascata de energia turbulenta e desenvolvimento de um novo modelo submalha não linear para simulação das grandes escalas.

dc.contributorThompson, Roney Leon
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/4870003562574001
dc.contributorSilveira Neto, Aristeu da
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/4650888739121183
dc.contributorOliveira, Taygoara Felamingo de
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/6275750472303225
dc.contributorSouza, Francisco José de
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/1257320066520278
dc.contributorNieckele, Angela Ourivio
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/6935503527357767
dc.contributorSantos, Daniel Dall'Onder dos
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/7847006276264872
dc.creatorAndrade, João Rodrigo
dc.date2019-03-18T18:40:28Z
dc.date2019-03-18T18:40:28Z
dc.date2019-03-13
dc.date.accessioned2023-09-28T21:13:07Z
dc.date.available2023-09-28T21:13:07Z
dc.identifierANDRADE, João Rodrigo. Spectral analysis of the turbulent energy cascade and the development of a novel nonlinear subgrid-scale model for large eddy simulation. 2019. 134 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.325.
dc.identifierhttps://repositorio.ufu.br/handle/123456789/24611
dc.identifierhttp://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.325
dc.identifier.urihttps://repositorioslatinoamericanos.uchile.cl/handle/2250/9066094
dc.descriptionO objetivo da presente tese é analisar e fornecer um aprimoramento do conhecimento sobre o comportamento das pequenas escalas de escoamentos turbulentos e propor novos modelos submalha não-lineares para Simulação das Grandes Escalas. Desta forma, a presente tese é subdividida em três partes principais. O primeiro tópico é uma análise das incertezas estatísticas associadas aos dados de Simulação Numérica Direta em escoamentos turbulentos em canal plano, mostrando uma nova quantificação física desses erros. Nesta análise, o erro de velocidade média é estimado considerando-se o tensor das tensões de Reynolds e aplicando a equação de força média. Esta análise é realizada a fim de verificar a qualidade dos dados estatísticos provenientes das Simulações Numéricas Direta aplicadas no presente trabalho. Em segunda etapa, buscando compreender a física contida em todo o espectro de número de ondas de escoamentos turbulentos, uma análise do balanço da energia cinética turbulenta espectral em escoamentos turbulentos em canal plano totalmente desenvolvido é realizada. A análise é focada na influência do número de Reynolds na cascata espectral de energia e na correspondente cascata de energia no espaço físico na presença de inomogeneidade e anisotropia. Finalmente, é apresentado um novo modelo não linear submalha para Simulação das Grandes Escalas baseados em um conjunto de tensores objetivos. No modelo de fechamento proposto, o tensor das tensões submalha é uma função dos tensores taxa-de-deformação e não-persistência-de-deformação, onde ambos são entidades cinemáticas locais e objetivas. O tensor não-persistência-de-deformação representa a capacidade local do fluido evitar um persistente esticamento. Para verificar a consistência do modelo proposto, testes a priori e a posteriori são realizados simulando diferentes escoamentos turbulentos com presença de paredes. Comparações com o tensor das tensões submalhas exato e dados experimentais revelaram que a inclusão de termos não lineares no modelo pode levar a resultados significativamente melhores, mostrando o grande potencial da base tensorial proposta.
dc.descriptionCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.descriptionPetrobrás - Petróleo Brasileiro S.A
dc.descriptionTese (Doutorado)
dc.descriptionThe purpose of the present work is to analyze and to provide an enhancement of the knowledge about the subgrid-scale behavior and to propose novel nonlinear subgrid-scale models for large eddy simulations of turbulent fluid flows. In this way, the present thesis is subdivided into three main parts. The first topic is an analysis of the statistical uncertainties associated with direct numerical simulation data for turbulent channel flow, showing a novel physically-based quantification of these errors. In this analysis, the mean velocity error is estimated by considering the Reynolds stress tensor, and using the balance of mean force equation. This analysis is performed in order to verify the quality of the statistical data coming from the direct numerical simulation applied in the present work. Secondly, seeking to understand the contained physics in the whole wavenumber spectrum of turbulent flows, an analysis of the spectral turbulent kinetic energy budget in fully developed turbulent plane channel flow is performed. The analysis is focused on the influence of the Reynolds number on the spectral cascade of energy and the corresponding energy cascade in physical space in the presence of inhomogeneity and anisotropy. Finally, a novel nonlinear subgrid-scale model for large eddy simulation based on a set of objective tensors is presented. In the proposed closure model, the modeled subgrid-scale stress tensor is a function of the resolved rate-of-strain tensor and the resolved non-persistence-of-straining tensor, where both are local and objective kinematic entities. The non-persistence-of-straining tensor represents the local ability of the fluid to avoid being persistently stretched. To check the consistency of the proposed model, \textit{a priori} and \textit{a posteriori} tests are performed by simulating different wall-bounded turbulent flows. Comparisons with the exact subgrid-scale stress tensor and experimental data revealed that the inclusion of nonlinear terms on the subgrid-scale model can significantly increase the accuracy of the results, showing the great potential of the proposed tensorial base.
dc.formatapplication/pdf
dc.languageeng
dc.publisherUniversidade Federal de Uberlândia
dc.publisherBrasil
dc.publisherPrograma de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsAcesso Aberto
dc.subjectTurbulent wall-bounded flows
dc.subjectTurbulent kinetic energy budget
dc.subjectEnergy cascade
dc.subjectInhomogeneity
dc.subjectAnisotropy
dc.subjectTurbulent channel flow
dc.subjectTurbulence
dc.subjectDirect numerical simulation
dc.subjectLarge eddy simulation
dc.subjectSubgrid-scale model
dc.subjectNonlinear subgrid-scale model
dc.subjectEngenharia mecânica
dc.subjectMecânica dos fluidos
dc.subjectEscoamento turbulento
dc.subjectTurbulência
dc.subjectÉcoulements turbulentes de parois
dc.subjectCascade d’énergie
dc.subjectÉquation différentielle de l’énergie cinétique turbulent
dc.subjectInhomogénéité, anisotropie
dc.subjectÉcoulement turbulent en canal plan
dc.subjectSimulation numérique directe
dc.subjectSimulation des grandes échelles
dc.subjectModèle sous maille
dc.subjectModèle sous maille non linéaire
dc.subjectCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
dc.titleSpectral analysis of the turbulent energy cascade and the development of a novel nonlinear subgrid-scale model for large eddy simulation.
dc.titleAnálise spectral da cascata de energia turbulenta e desenvolvimento de um novo modelo submalha não linear para simulação das grandes escalas.
dc.typeTese


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