Desenvolupament de codis numèrics per a la resolució de fluxos turbulents en ordinadors paral·lels emprant discretitzacions tipus symmetry-preserving

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of Groningen, Holanda, entre 2007 i 2009. La simulació directa de la turbulència (DNS) és una eina clau dins de la mecànica de fluids computacional. Per una banda permet conèixer millor la física de la turbulència i per l'altra els resultats obtinguts són claus per el desenvolupament dels models de turbulència. No obstant, el DNS no és una tècnica vàlida per a la gran majoria d'aplicacions industrials degut al elevats costos computacionals. Per tant, és necessari cert grau de modelització de la turbulència. En aquest context, s'han introduïts importants millores basades en la modelització del terme convectiu (no lineal) emprant symmetry-preserving regularizations. En tracta de modificar adequadament el terme convectiu a fi de reduir la producció d'escales més i més petites (vortex-stretching) tot mantenint tots els invariants de les equacions originals. Fins ara, aquest models s'han emprat amb èxit per nombres de Rayleigh (Ra) relativament elevats. En aquest punt, disposar de resultats DNS per a configuracions més complexes i nombres de Ra més elevats és clau. En aquest contexte, s'han dut a terme simulacions DNS en el supercomputador MareNostrum d'una Differentially Heated Cavity amb Ra=1e11 i Pr=0.71 durant el primer any dels dos que consta el projecte. A més a més, s'ha adaptat el codi a fi de poder simular el fluxe al voltant d'un cub sobre una pared amb Re=10000. Aquestes simulacions DNS són les més grans fetes fins ara per aquestes configuracions i la seva correcta modelització és un gran repte degut la complexitat dels fluxes. Aquestes noves simulacions DNS estan aportant nous coneixements a la física de la turbulència i aportant resultats indispensables per al progrés de les modelitzacións tipus symmetry-preserving regularization.

Report for the scientific sojourn at the University of Groningen, Netherlands, from 2007 to 2009. Direct numerical simulation (DNS) is an important area of contemporary fluid dynamics, because its interest for improving the understanding of the physics of turbulence and because it is an essential tool for the development of better turbulence models. However, DNS technique can not be apply for most of real engineering applications due to its prohibitive computational costs and some level of modellization of turbulence is required. In this context, relevant improvements on turbulence modelling based on symmetry preserving regularization models for the convective (non-linear) term have been developed. They basically alter the convective terms to reduce the production of small scales of motion by means of vortex-stretching preserving all inviscid invariants exactly. Since now, they have been successfully tested for relatively high Rayleigh (Ra) numbers by means of direct comparison with our DNS results. At this stage, high resolution DNS results at higher Ra-numbers and differents configurations are of extreme importance for further progress. To do so, during the first year of this two year project we have been carrying out outstanding DNS simulations at MareNostrum supercomputer of a differentially heated cavity with Ra=1e11, Pr=0.71 (air) and height aspect ratio 4. Moreover, recently we have adapted the DNS code to perform simulation of a turbulent flow around a wall-mounted cube at Re=10000. To the best of authors' knowledge, these are the largest DNS simulations of this class ever performed. Moreover, due to the complex behaviour exhibit, an accurate turbulence modelling of these configurations remains as a great challenge. This new DNS results are giving new insights into the physics of turbulence and providing indispensable data for the progress on symmetry preserving regularization modelling.