Improved vortex method for large-eddy simulation inflow generation

Xie, Bin; Gao, Feng; Boudet, Jérôme; Shao, Lei; Lu, Lipeng

doi:10.1016/j.compfluid.2018.03.069

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“…Vortex particle and panel method have been used predominantly in two-dimensional unsteady aerodynamics problems and extended to the third dimension for lifting surface problems like wind turbines. In recent times, the vortex particle methods have mainly been used to create turbulent inflow 2 conditions for Large-Eddy Simulations [105,106,107,54,56,108]. These studies were intended to study the aeroacoustic behaviour of an airfoil in a turbulent flow field.…”

Section: Vortex Methods In Aeroacousticsmentioning

confidence: 99%

Stochastic modelling of leading-edge noise in time-domain using vortex particles

Sharma

Sarradj

Schmidt

2020

Journal of Sound and Vibration

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Die konzeptionelle und vorläufige Auslegung rotierender Maschinen wie Lüfter, Windturbinen, gegenläufiger offener Rotoren und Hubschrauberblätter erfordert kostengünstige und einfach zu bedienende Werkzeuge, die eine schnelle Geräuschbeurteilung und Optimierungsanalyse ermöglichen. Die neuesten numerischen und experimentellen Methoden sind für die Durchführung einer Optimierungsstudie zu rechenaufwändig, wohingegen kostengünstige Methoden, wie zum Beispiel analytische, bei realistischen Profilgeometrien vor allem im Bereich hoher Frequenzen sowie bei höheren Anstellwinkeln erhebliche Fehler aufweisen können. Da Turbulenz grundsätzlich eine statistische Größe ist, erscheint es sinnvoll, eine turbulente Strömung sowie auch die Interaktion eines Tragflügel-oder Schaufelprofils mit einer solchen Strömung statistisch zu modellieren. Die Bestimmung der instationären Reaktion des Strömungsprofils ist anschließend für die Vorhersage des entstehenden aerodynamischen Schalls von entscheidender Bedeutung. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen kostengünstigen und benutzerfreundlichen numerischen Technik für aeroakustische Konstruktionen, die sich hauptsächlich auf die Wechselwirkung zwischen Tragflügelprofilen und Turbulenzen konzentriert. Die Entwicklung der statistischen Methode gliedert sich in drei Abschnitte; nämlich-1) der Berechnung der Hintergrundströmung, 2) der Modellierung der statistisch optimierten turbulenten Zuströmung, und 3) der Generierung einer Wirbeldatenbank zur Vorhersage des entstehenden Schalls für mehrere Strömungsfelder, die durch unterschiedliche Werte von Turbulenzintensitäten und Längenskalen gekennzeichnet sind. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Modellierung einer turbulenten Zuströmung-und damit einer für die Lärmerzeugung wesentlichen Größe-vorgestellt, der eine vergleichsweise schnelle Berechnung erlaubt und nicht auf die Nutzung von Hochleistungscomputern angewiesen ist. Durch diesen Ansatz kann der Einfluss von Turbulenzparametern auf das in Turbomaschinen erzeugte Geräusch quantifiziert werden, wobei auch die geometrischen Parameter des Schaufelblatts bei der Geräuschvorhersage berücksichtigt werden. Die Hintergrundströmung wird bei dieser Methode numerisch simuliert, indem die Wirbeltransportgleichungen in der Lagrange-Form gelöst werden (sogenannte Vortex-Methoden). Der akustische Einfluss einer endlichen Anzahl von Wirbeln, charakterisiert durch alle möglichen Kombinationen von Wirbelgröße, Zirkulation und Injektionsposition /-zeit, definiert unter Verwendung der Bereiche von Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen, die von Injektionspunkten stromaufwärts des Schaufelblatts abgegeben werden, werden vorberechnet und in einer Matrix gespeichert. Diese Methode ist daher im Vergleich zu klassischen Vortex-Methoden vergleichsweise rechengünstig, da die Auswirkungen von Partikeln vorausberechnet, in einer Matrix gespeichert und schließlich zur Berechnung der Schallentstehung nur noch ausgelesen werden.

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Section: Vortex Methods In Aeroacousticsmentioning

confidence: 99%

Stochastic modelling of leading-edge noise in time-domain using vortex particles

Sharma

Sarradj

Schmidt

2020

Journal of Sound and Vibration

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“…The filtered variable (donated by an overbar) is defined by Equation (15). The resulting continuity and momentum equations are expressed in Equations ( 16) and (17), showing similar forms but a different physical meaning for those in the RANS approach.…”

Section: Les Approach 221 Formulation and Subgrid-scale Modelmentioning

confidence: 99%

“…Apart from SGS models of the LES method, the inflow boundary condition is an indispensable part of the simulation. Considering a diversity of methods generating inflow information [16,17], an elaborate analysis and discussion on the methods is necessary and conducive for the LES model user. In order to clearly understand the potential of the DNS method, the capabilities and current limitations of DNS method need to be clarified.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Mathematical Methodology and Metallurgical Application of Turbulence Modelling: A Review

Wang

Cao

Cheng

et al. 2021

Metals

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This paper focusses on three main numerical methods, i.e., the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Large Eddy Simulation (LES), and Direct Numerical Simulation (DNS) methods. The formulation and variation of different RANS methods are evaluated. The advantage and disadvantage of RANS models to characterize turbulent flows are discussed. The progress of LES with different subgrid scale models is presented. Special attention is paid to the inflow boundary condition for LES modelling. Application and limitation of the DNS model are described. Different experimental techniques for model validation are given. The consistency between physical experimentation/modelling and industrial cases is discussed. An emphasis is placed on the model validation through physical experimentation. Subsequently, the application of a turbulence model for three specific flow problems commonly encountered in metallurgical process, i.e., bubble-induced turbulence, supersonic jet transport, and electromagnetic suppression of turbulence, is discussed. Some future perspectives for the simulation of turbulent flow are formulated.

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“…Numerical simulations can offer higher temporal and spatial resolution, but at the cost of expensive computational CPU time. Large Eddy Simulations (LES) are commonly used to study leading edge noise, with synthetic turbulence generators [16,17,18] employed to generate turbulent inflow at the inlet plane of the computational domain.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Efficient Prediction of Turbulent Inflow and Leading-Edge Interaction Noise Using a Vortex Particle Method with Look-up Table Approach

Sharma,

Herr

2024

J. Phys.: Conf. Ser.

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This paper presents a new, efficient approach for predicting turbulent inflow, also known as leading-edge interaction noise. The method combines a low-fidelity Vortex Particle Method (VPM) with a look-up table approach. Its goal is to reconstruct realistic inflow turbulence and airfoil contours using stochastic control variables within a limited vortex window. To model far-field sound emission, Curle’s equation and a vortex sound database are employed. To increase confidence in the methodology, an analysis of inflow turbulence parameters and source characteristics was performed using systematic Large Eddy Simulations (LES). A generic NACA 0012 airfoil test case with different inflow turbulence grids was used for direct comparisons with semi-theoretical and semi-empirical predictions from the literature. The comparison is restricted to Amiet/Gershfeld predictions as the current model is only capable of dealing with homogeneous and isotropic turbulence. However, their usefulness is limited to narrower parameter ranges when compared to the more generally applicable new method. A satisfactory agreement of the results demonstrates the versatility of the proposed method.

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Improved vortex method for large-eddy simulation inflow generation

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Stochastic modelling of leading-edge noise in time-domain using vortex particles

Stochastic modelling of leading-edge noise in time-domain using vortex particles

Mathematical Methodology and Metallurgical Application of Turbulence Modelling: A Review

Efficient Prediction of Turbulent Inflow and Leading-Edge Interaction Noise Using a Vortex Particle Method with Look-up Table Approach

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