Assessment of turbulent boundary layer detachment due to wall-curvature-driven pressure gradient

Abstract

The present study provides fundamental knowledge on an issue in fluid dynamics that is not well understood: flow separation and its association with heat and contaminant transport. In the separated region, a swirling motion increases the fluid drag force on the object. Very often, this is undesirable because it can seriously reduce the performance of engineered devices such as aircraft and turbines. Furthermore, Computational Fluid Dynamics (CFD) has gained ground due to its relatively low cost, high accuracy, and versatility. The principal aim of this study is to numerically elucidate the details behind momentum and passive scalar transport phenomena during turbulent boundary layer separation resulting from a wall-curvature-driven pressure gradient. With Open- FOAM CFD software, the numerical discretization of Reynolds-Averaged Navier-Stokes and passive scalar transport equations will be described in two-dimensional domains via the assessment of two popular turbulence models (i.e., the Spalart-Allmaras and the K ≠ Ê SST model). The computational domain reproduces a wind tunnel geometry from previously performed experiments by Baskaran et al. (JFM, vol. 182 and 232 “A turbulent flow over a curved hill.” Part 1 and Part 2). Only the velocity and pressure distribution were measured there, which will be used for validation purposes in the present study. A second aim in the present work is the scientific visualization of turbulent events and coherent structures via the ParaView toolkit and Unity game engine. Thus, fully immersive visualization approaches will be used via virtual reality (VR) and augmented reality (AR) technologies. A Virtual Wind Tunnel (VWT), developed for the VR approach, emulates the presence in a wind tunnel laboratory and has already employed fluid flow visualization from an existing numerical database with high temporal/spatial resolution, i.e., Direct Numeric Simulation (DNS). In terms of AR, a FlowVisXR app for smartphones and HoloLens has been developed for portability. It allows the user to see virtual 3D objects (i.e., turbulent coherent structures) invoked into the physical world using the device as the lens.

El estudio presente proporciona un conocimiento fundamental sobre un tema en la dinámica de fluidos que no se entiende bien: separación del flujo y su asociación con el transporte de calor y contaminantes. En la región separada, un movimiento de remolino aumenta la fuerza de arrastre de fluido sobre el objeto. Muy a menudo, este no es deseado debido a que puede reducir seriamente el rendimiento de dispositivos ingenieriles, como aviones y turbinas. Además, la dinámica de fluido computacional (CFD, por siglas en inglés) ha ganado terreno debido a su costo relativamente bajo, alta precisión y versatilidad. El objetivo principal de este estudio es dilucidar numéricamente los detalles detrás del momento y los fenómenos de transporte escalar pasivo durante la separación de la capa límite turbulenta resultante de un gradiente de presión basado por la curvatura de pared. Con el software de CFD OpenFOAM, la discretización numérica de las ecuaciones Reynolds-Averaged Navier-Stokes y transporte de escalar pasivo va a ser descrita en dominios bidimensionales a través de la evaluación de dos modelos de turbulencia populares (i.e., los modelos Spalart-Allmaras y K ≠ Ê SST ). El dominio computacional reproduce una geometría del túnel de viento de experimentos previamente realizados por Baskaran et al. (JFM, vol. 182 and 232 “A turbulent flow over a curved hill.” Part 1 y Part 2). Allí solo se midieron la velocidad y la distribución de presión, que se utilizará para fines de validación en el presente estudio. Un segundo objetivo en el trabajo presente es la visualización científica de los eventos turbulentos y las estructuras coherentes a través de ParaView y Unity. Por lo tanto, los enfoques de visualización inmersiva se utilizarán a través de tecnologías de realidad virtual (VR, por siglas en inglés) y realidad aumentada (AR, por siglas en inglés). Un túnel de viento virtual (VWT, por siglas en inglés), desarrollado para el enfoque VR, emula la presencia en un laboratorio de túnel de viento y ya ha empleado la visualización de fluidos desde una base de datos numérica con alta resolución temporal/espacial existente (i.e., DNS). En términos de AR, se ha desarrollado una aplicación FlowVisXR para teléfonos inteligentes y HoloLens por portabilidad. Permite al usuario ver objetos 3D virtuales (i.e., estructuras turbulentas coherentes) invocadas en el mundo físico utilizando el dispositivo como lente.