Simulaciones Numéricas de Flujos 3D en un cluster Beowulf con el código PETSc-FEM Centro...
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Simulaciones Numéricas de Flujos 3D en un cluster Beowulf con el código PETSc-FEM
Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMEC)
Parque Tecnológico Litoral Centro (PTLC)
Universidad Nacional del Litoral (UNL) Consejo Nacional de Investigaciones
Científicas y Tecnológicas (CONICET)
ARGENTINA
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- Código FEM multifísica - C++ / MPI / cluster Beowulf- General Public License (GPL)- Gráficas o animaciones: con DX (de IBM, también GPL)
Ejemplos de simulaciones numéricas:
1) Excitación de ondas inerciales axisimetricas en una esfera en espín perturbado armónicamente2) Flujo dentro de un cilindro bajo rotación rápida de espín y nutación, sin y con superficie libre3) Movimiento de un líquido dentro de un recipiente (sloshing 2D)4) Flujo y transferencia de calor en un transformador5) Flujo en el vertedero de una presa6) Flujo alrededor de cuerpos obtusos: cuerpo de Ahmed7) Flujo en la cavidad cúbica (LES/DNS)
PETSc-FEMPETSc-FEM
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PETSc-FEMPETSc-FEM
e.g. Large Eddy Simulation (LES) con un modelo de turbulencia algebraico
Método de Elementos Finitos (FEM) de igual orden para la presión y la velocidad, con la estabilización propuesta por Tezduyar, et. al.
FEM + derivada en contracorriente + estabilizaciones:
SUPG (Streamline Upwind Petrov-Galerkin): estabiliza el término advectivo al incrementarse el número de Reynolds
PSPG (Pressure Stabilized Petrov-Galerkin): estabiliza la restricción impuesta por la condición de incompresibilidad
además: Large Eddy Simulation (LES), Direct Numerical Simulation (DNS), ...
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1. Ondas inerciales axisimetricas en una esfera ...
Axisymmetric inertial oscillations of a rotating liquid sphere [Aldridge/Toomre, Journal of Fluid Mechanics, vol. 37, pp. 307-323, 1969]: fluid container and pressure probe. The container is made of two perspex hemisphere fitted together at the equator, rotated about its vertical spin axis with the nostationary spin
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1. Ondas inerciales axisimetricas en una esfera ...
Unsteady low order flow that arising in a closed rotating container when the spin Omega is instantaneously increased with a small amount Delta Omega >0: (i) an inwardly moving spin-up front that separates the inner core I at spin Omega and a partly spun-up region III at spin Omega +Delta Omega; a thin Ekman boundary layer near the walls (region II) that extract fluid from region I and feed it into the spun-up region III
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1. Ondas inerciales axisimetricas en una esfera ...
Type change for the Poincare equation
A xz-view (meridional plane) of the 3D-FEM mesh
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1. Ondas inerciales axisimetricas en una esfera ...
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1. Ondas inerciales axisimetricas en una esfera ...
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2. Flujo dentro de un cilindro bajo rotación rápida de espín y nutación: (i) sin superficie libre
isopresión
malla FEM
esquema
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2. Flujo dentro de un cilindro bajo rotación rápida de espíny nutación: (i) sin superficie libre
líneas de corriente
velocidad en planos axisim.: yx (izq.) xz (der.)
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mapa de isorapidez
2. Flujo dentro de un cilindro bajo rotación rápida de espín y nutación: (i) sin superficie libre
campo de velocidades
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2. Flujo dentro de un cilindro bajo rotación rápida de espín y nutación: (i) sin superficie libre
Roll moment M_z as a function of the: (i) kinematic viscosity nu (up-left); (ii) spin omega_s (up-right); and (iii) spin theta and nutation angle omega_n for a spin omega_s=3000 [rpm] (down-left) Experimental results of Miller, D'Amico andnumerical ones by FDM of Vaughn et al.
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“Click” sobre imagen
2. Flujo dentro de un cilindro bajo rotación rápida de espín y nutación: (ii) con superficie libre. Cómputo con ALE
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3. Movimiento de un líquido dentro de un recipiente (sloshing)
“Click” sobre imagen !!
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4. Flujo y transferencia de calor en el aceite de enfriamiento, núcleo y arrollamientos de un transformador eléctrico de distribución de mediana potencia
“Click” sobre imagen !!
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5. Flujo en el vertedero de una presa
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6. Aerodinámica de cuerpos obtusos: modelo de Ahmed
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extremo trasero
intercambiable
superficie inferior
plana sin rugosidad
cuerpo anterior suave evitando las separaciones
•Cuerpo de Ahmed: diseñado para inducir lo esencial del flujo alrededor de un vehículo sin la complejidad del conjunto total•Supresión de flujo por: ruedas, compartimiento de pasajeros, motor, piso y apéndices (espejo retrovisor, paragolpes)
6. Aerodinámica de cuerpos obtusos: modelo de Ahmed
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6. Cuerpo de Ahmed: c6. Cuerpo de Ahmed: cronología y estado actual del arteronología y estado actual del arte (1) (1)
Jansssen/Hucho(1975): efecto de la superficie inclinada del extremo trasero Morel (1978): estudio experimental sobre el cuerpo de Morel Ahmed, Ramm, Faltin (1984): estudio experimental a tiempo promediado
sobre el cuerpo de Ahmed Guilliéron, Chometon (1997): modelización numérica 3D en el modelo
de Ahmed MOVA – European Project (1998-2001): nuevos experimentos de validación:
Rouse, Diwakar (2000): flujo en el cuerpo de Ahmed con mallas tetraédricas adaptadas con estimador anisotrópico de error
Gullman, Strand, Angele (2000): análisis y medición en la estela. Angulo óptimo de inclinación
Lienhart, Stoots, Becker: cálculo del flujo en un modelo similar al de Ahmed y estudio de la estela turbulenta
Craft, Gant, Iacovides, Launder, Robinson: cálculo numérico, modelización de la turbulencia (caso 9.4)
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6. Cuerpo de Ahmed: c6. Cuerpo de Ahmed: cronología y estado actual del arteronología y estado actual del arte (2) (2)
Howard, Bieder, Lesieur (2001): primera publicación con modelo de turbulencia LES
Krajnovic, Davidson (2001): simulación con LES en un cuerpo parecido al de Ahmed
10th ERCOFTAC-IAHR Workshop (2001): congreso sobre modelización turbulenta refinada (Darmstadt): se presentaron 18 cálculos diferentes
Guilliéron, Spohn (2001):análisis de las separaciones de flujo Khalighi, et.al.(2001): estudio en un modelo simplificado con
agregado de accesorios 11th ERCOFTAC-IAHR Workshop(2002): congreso relizado en
Poitiers (Francia) Kapadia, Roy, Wurtzler (2003): simulación de remolinos sobre el
modelo de Ahmed Liu, Mozer (2003): modelización numérica sobre el cuerpo de
Ahmed con modelo de turbulencia RANS
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6. Cuerpo de Ahmed: d6. Cuerpo de Ahmed: descripción geométrica del modeloescripción geométrica del modelo
Generado utilizando técnicas de CAD
Variación del ángulo de inclinación del extremo trasero
Número de Reynolds Re basado en la longitud del modelo: 4.250.000
Velocidad del flujo 60 m/s
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6. Cuerpo de Ahmed: d6. Cuerpo de Ahmed: dominio computacional y malla ominio computacional y malla de fronterade frontera
dominio de flujo computacional detalle de la malla en la frontera interior
detalle de la malla de frontera del dominio y del cuerpo
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6. Cuerpo de Ahmed: m6. Cuerpo de Ahmed: malla 3Dalla 3D, , refinamiento y cortes variosrefinamiento y cortes varioscorte longitudinal detalle malla superficie del piso
vista isométrica de la malla total
vista en detalle del cuerpo
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6. Cuerpo de Ahmed: m6. Cuerpo de Ahmed: malla 3Dalla 3D, , refinamiento y cortes variosrefinamiento y cortes varios
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6. Cuerpo de Ahmed: 6. Cuerpo de Ahmed: detalle detalle de los de los elementos prismáticoselementos prismáticos
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6. Cuerpo de Ahmed: c6. Cuerpo de Ahmed: comportamiento del flujo según omportamiento del flujo según ddiferentesiferentes configuracionesconfiguraciones
A y B : ángulo de inclinación ( f ) inferior a 12.5 º
C : ángulo de inclinación ( f ) superior a 12.5 º e inferior a 30º
D : ángulo de inclinación ( f ) superior a 30º
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f > fcrítico superior
fcrítico inferior< f < fcrítico superior
6. Cuerpo de Ahmed: e6. Cuerpo de Ahmed: estructura de la estela y structura de la estela y de de las las separaciones del flujoseparaciones del flujo
f < fcrítico inferior
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6. Cuerpo de Ahmed: s6. Cuerpo de Ahmed: separacioneseparaciones (Spohn/Guillieron: “Flow separations (Spohn/Guillieron: “Flow separations generated by a simplified geometry of an automotive vehicle”)generated by a simplified geometry of an automotive vehicle”)
EN LA PARTE FRONTAL
EN EL PLANO MEDIO
VISTA LATERAL VISTA FRONTAL
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EN EL EXTREMO TRASERO
líneas de corriente en la superficie inclinada
Vista desde arriba: flujo cerca de la superficie inclinada
Vista desde atrás: flujo entre el techo y la arista lateral
Izquierda: vista desde atrás, vórtice helicoidal lateral rastrero
Derecha:vista desde atrás, sección transversal
6. Cuerpo de Ahmed: s6. Cuerpo de Ahmed: separaciones del flujoeparaciones del flujo (Spohn/Guillieron: “Flow (Spohn/Guillieron: “Flow separations generated by a simplified geometry of an automotive vehicle”)separations generated by a simplified geometry of an automotive vehicle”)
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6. Cuerpo de Ahmed: 6. Cuerpo de Ahmed: flujo en la estela cercanaflujo en la estela cercana
A
B
D
N
A y B: vórtices toroidalesN : punto singular de encuentrode los vórtices A y B ( en la base)
Sistema de vórtices toroidales (``horseshoes´´)
A
N
B
base
D: burbuja de separación
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6. Cuerpo de Ahmed: 6. Cuerpo de Ahmed: líneas de corriente en lalíneas de corriente en la estelaestela
Click sobre la Imagen
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6. Cuerpo de Ahmed: v6. Cuerpo de Ahmed: vorticidad orticidad cercana cercana y en la estelay en la estela
Click sobre la Imagen
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6. Cuerpo de Ahmed: i6. Cuerpo de Ahmed: isosuperficies de helicidad y vorticidadsosuperficies de helicidad y vorticidad
helicidad vorticidad
Iso-vorticidad de 0.7 y opacidad de 0.6
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6. Cuerpo de Ahmed: 6. Cuerpo de Ahmed: vorticidad en la vecindad del cuerpovorticidad en la vecindad del cuerpo
Vista posterior izquierda: vorticidad cerca de la superficie eisocurva espacial de helicidad (a +/-3 [1/seg])
Click sobre la Imagen
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6. Cuerpo de Ahmed: 6. Cuerpo de Ahmed: velocidad velocidad cerca decerca de la la superficiesuperficie
Velocidad sobre la primera capa de elementos prismáticos
”Click” sobre la Imagen !!
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6. Cuerpo de Ahmed: v6. Cuerpo de Ahmed: velocidad y elocidad y vvorticidad orticidad cercanacercana
Vista posterior derecha: vorticidad cerca de la superficie yvectores de velocidad en la primera capa de nodos
Click” sobre la
Imagen !!
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6. Cuerpo de Ahmed: m6. Cuerpo de Ahmed: medición del coefedición del coef.. de arrastre (drag de arrastre (drag))
Descomposición del ``drag´´de presión
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6. Cuerpo de Ahmed: 6. Cuerpo de Ahmed: coeficiente de arrastre (drag)coeficiente de arrastre (drag)
Valor obtenido en función de una longitud de inclinación del ``slant´´ inferior a 222 mm (176 mm)
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6. Cuerpo de Ahmed: velocidad y vorticidad
velocidad sobre la superficie del modelo
Vorticidad sobre la superficie del modelo
“Click” sobre imagen !!
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”Click” sobre la
Imagen !!
7. Flujo en la cavidad cuadrada: a test case for LES/DNS
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“Click” sobre la
Imagen !!
7. Flujo en la cavidad cuadrada: a test case for LES/DNS