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Tesis Doctoral
Nombre completo
Filipe Fabian Buscariolo
Dirección Electrónica
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
São Paulo, 2020
Assi, Gustavo Roque da Silva (Presidente)
Gioria, Rafael dos Santos
Sherwin, Spencer John
Silva, André Fernando de Castro da
Volpe, Ernani Vitillo
Título en inglés
Spectral/hp large eddy simulation of vortex-dominated automotive flows around bluff bodies with diffuser and complex front wing geometries.
Palabras clave en inglés
Continuous Galerkin Method
High-precision spectral/hp elements
Implicit Large Eddy Simulation
Resumen en inglés
In this research project, it is demonstrated the use of spectral/hp element method for simu- lations of fully 3D complex geometries. Such solutions at high Reynolds numbers and with higher order polynomials were previously intractable due to numerical stability issues a ecting the convergence of the scheme. For this approach, we have employed the latest development of continuous Galerkin spectral vanishing viscosity (CG-SVV) with a discontinuous Galerkin (DG) mimicking kernel. Together with dealiasing techniques, the numerical stability and convergence characteristics of the spectral/hp element method have been greatly improved. These advances in numerical methods are also supported by novel meshing strategies, taking advantage of the additional flexibility in changing the uniform polynomial orders of the mesh and the solution. As a result, e efficient simulations can be formulated with consistent and highly accurate solutions obtainable. Specific for this work, the focus is on complex geometries often found in automotive engineering. To reduce the computational demands, this research explored the use of symmetry boundary conditions for large eddy simulations (LES) using a half model. It is found that if only the average flow properties near the body are of interest, such an approach can provide more than 50% reduction in simulation time while maintaining the solution quality. In terms of improving the solution resolution, as one might expect from a p-type method we have observed that increasing the polynomial order can be a more effective approach in comparison to conventional mesh refinement. In the three test cases, we have successfully exploited the use of polynomial accuracy of 4th, 5th and 6th order. This is the first comprehensive study using polynomials of such high orders, and the corresponding solutions are obtained for fully 3D geometries using spectral/hp element method. Three test cases have been considered, the first being the simulations of the original Ahmed Body serves as a validation study for 3D simulations of the spectral/hp element method. The Ahmed Body is one of the most widely studied blubodies used for automotive conceptual studies and computational fluid dynamics (CFD) software validation. For this validation study, the differences in results obtained using various polynomial orders for the mesh as well as for the solution interpolation have been examined in detail. With the proposed approach, we were able to obtain fairly good correlations with the aerodynamic quantities for polynomial orders of 5 and above. Regarding the flow features around the body, solutions from the 6th order polynomial showed clear advantage in the slant vortex intensity. With the computational facilities, further increase of solution polynomial order is not feasible; however, the required solution resolution can also be obtained via the use of local mesh refinement. We determine that this level of solution accuracy, after comparing with various studies in the literature, cannot be obtainable using steady-state simulations such as the very popular Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) method. Based on the validation result, the second test case involved the simulations of Ahmed Body geometries with a simplified diffuser using the proposed method. This case serves as na independent study examining the suitability of the method for design analysis. Using the same 6th order polynomial and Refined mesh, the solution successfully identified the flow features consistent with to past literature on underbody diffusers. Additionally, we have found that the geometry of the reference body imposes a quite significant influence on the performance of the diffuser, as well as identified some strong interplay between the lower-side vortex and the di ffuser flow. The toolchain has clearly demonstrated its capability in assisting integrated design analysis for a simplified road vehicle equipped with a diffuser. In the final test case, a new benchmark study case for aerodynamic design of high-performance vehicles and racing cars, the Imperial front wing is proposed. This study consists of a multi-element front-wing based on a Formula One front wing design. It generates complex flow features including ground effects, and multiple vortex system development and interaction. We used this test case as a challenging examination of our proposed method and simulation strategy using the spectral/hp element method. The simulations were also supported by na independent experimental study and results obtained for comparison achieved a high level of agreement. Using a polynomial order of 4th and above have successfully correlated the flow velocity fields at various planes downstream, while increasing the polynomial order to 5th will further result in a good matching of flow visualization details. From all three test cases, the spectral/hp element method when applied to suitable meshes at reasonably polynomial orders has been able to accurately and consistently yield reliable solutions in good agreement with experiment. The benefits of using high order polynomials for mesh generation of complex geometries, and for solution interpolation of higher accuracy have enabled the use of much coarser meshes than would typically be applied in comercial CFD codes. The progress made in this research is a solid step forward for the adaptation of the spectral/hp element for industrial level applications.
Título en portugués
Simulação de grandes vórtices pelo método espectral/hp de escoamentos automotivos dominados por vórtices ao entorno de corpos rombudos com difusores e geometrias complexas de uma asa frontal.
Palabras clave en portugués
Dinâmica dos fluidos computacional
Elementos espectrais/hp de alta precisão
Método de Galerkin Contínuo
Simulação implícita de grades vórtices
Resumen en portugués
Neste projeto de pesquisa, demonstramos o uso do método espectral/hp aplicado a simulações totalmente 3D de geometrias complexas. Esse tipo de solução aplicada à problemas com valor de número de Reynolds e ordem polinomial ambos elevados eram impraticáveis anteriormente devido a problemas de estabilidade que comprometiam a convergência da solução. Aplicamos os últimos desenvolvimentos do operador de spectral vanishing viscosity para o método de Garlerkin contínuo (CG-SVV) combinado com uma aproximação do método de Garlerkin descontínuo. Junto com técnicas de dealising, a estabilidade e convergência de simulações utilizando o método de elemento espectral/hp foi consideravelmente melhorada. Os novos avanços neste método numérico se devem em parte à uma nova estratégia de geração de malha, aproveitando-se da flexibilidade de aumentar a ordem polinomial da malha e da solução. Como resultado, simulações podem ser eficientemente geradas, produzindo resultados de alta fidelidade. Especificamente neste trabalho, o foco é em superfícies complexas, frequentemente presente no ramo da engenharia automotiva. Visando reduzir o poder computacional, exploramos o uso da condição de simetria em simulações do tipo LES, utilizando meio-modelo. Concluímos que se o objetivo principal do estudo são as propriedades do escoamento médio próximos do corpo, essa metodologia é capaz de reduzir o tempo computacional em mais de 50%, mantendo a qualidade dos resultados. A melhora na acurácia da solução utilizando refino do polinômio (tipo p) da solução se prova mais eficiente quando comparado com o refino do tamanho de malha (tipo h). Em três casos, exploramos o uso de polinômios de acurácia de 4th, 5th e 6th ordem. Este é um dos estudos pioneiros do uso de tais ordens polinomiais de solução em casos totalmente 3D utilizando o método de elemento espectral/hp. Três casos foram considerados, sendo o primeiro estudo a simulação do corpo de Ahmed original, sendo o mesmo também utilizado como validação da metodologia do método de elemento espectral/hp a ser usada para casos posteriores. O corpo de Ahmed é um dos corpos rombudos automotivos mais utilizados para desenvolvimento de novas tecnologias e validação de códigos de (CFD). Para o estudo de validação, as diferenças nos resultados obtidos utilizando diversas ordens polinomiais para malha e também solução são analisados em detalhes. Com a metodologia proposta, conseguimos obter boa correlação com as quantidades aerodinâmica, utilizado polinômio de ordem 5 e superior para solução. Para estruturas do escoamento, polinômio de 6th ordem mostra-se superior aos demais resultados em termo de capturar a intensidade do vórtice traseiro. Com a estrutura computacional utilizada neste trabalho, não foi possível aumentar a ordem da solução, entretanto, o grau de refinamento x Resumo necessário pode ser obtido por meio de refino de malha. Verificando estudos anteriores, este nível solução não pode ser obtido utilizando soluções de regime permanente como o popular método Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS). Baseado no caso anterior de validação, o segundo estudo se concentra na aplicação dessa metodologia em um corpo de Ahmed equipado com um difusor traseiro simplificado. Este caso serve como um estudo independente para verificar a aplicabilidade do método para predição de um comportamento aerodinâmico não-conhecido. Utilizando o caso de malha Refined, com elementos de 6th ordem, a solução foi capaz de identificar diferentes tipos de escoamento nos difusores. Adicionalmente, verificamos que a superfície exterior do corpo influencia a performance do difusor e identificamos uma grande influência do vórtice-lateral inferior no escoamento na região do difusor. A metodologia claramente demonstra sua capacidade em predizer o escoamento e ajudar no projeto de veículos simplificados equipados com difusor. O último caso testado é a proposta de um novo caso de teste para validação aerodinâmica de veículos de alta performance e carros de corrida: a Imperial front wing. O estudo consiste em uma asa frontal de um carro de Fórmula 1, composta por diversos elementos. Estruturas de fluxo complexas são geradas, incluindo efeito-solo e geração de múltiplos sistemas de vórtices com interação entre os mesmos. Utilizamos este caso como um desafio para a metodologia proposta utilizando o método de elemento espectral/hp. O estudo numérico conta ainda com um estudo experimental, onde um nível alto de correlação foi atingido. Utilizando polinômio de 4th ordem ou superior para a solução, obtém-se boa correlação com os campos de velocidade extraídos em diversos planos a jusante da asa, entretanto, aumentando a solução para 5th ordem resulta em melhor correlação em termos de visualização de fluxo sobre a asa. Para os três casos, o método de elemento espectral/hp quando aplicado à malhas projetadas para o método e utilizando-se de polinômios de solução adequados, conseguem capturar as nuances do escoamento, com excelente correlação aos experimentos físicos. Os benefícios de utilizar polinômios de alta ordem para malha e solução de escoamento em torno de superfícies complexas permite o uso de malhas relativamente grosseiras, utilizadas em métodos numéricos de CFD simplificados. Os desenvolvimentos aqui apresentados mostram um consistente avanço para o uso do método de elemento espectral/hp em aplicações de nível industrial.
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