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Stochastic modeling of the turbulent boundary layer

Stochastische Modellierung der turbulenten Grenzschicht

  • The incompressible temporally developing turbulent boundary layer (TBL) and spatially developing turbulent boundary layer (SBL) with and without blowing is analyzed using the map-based stochastic one-dimensional turbulence (ODT) model. An understanding of these idealized flows is of fundamental relevance for boundary layer-type problems, which are frequently encountered in several applications, from atmospheric sciences to engineering. In the ODT model, the flow variables are resolved on all scales along a wall-normal, 1-D domain. These variables are evolved by a deterministic process representing molecular diffusion and by a stochastic process modeling the effect of turbulent advection and pressure fluctuations. Due to the reduction in dimensionality, the model is particularly appropriate for high Reynolds number flow. It is shown that the ODT model is able to capture salient features of the turbulent boundary layer-type flows by comparing the results with various available reference direct numerical simulation (DNS), large eddyThe incompressible temporally developing turbulent boundary layer (TBL) and spatially developing turbulent boundary layer (SBL) with and without blowing is analyzed using the map-based stochastic one-dimensional turbulence (ODT) model. An understanding of these idealized flows is of fundamental relevance for boundary layer-type problems, which are frequently encountered in several applications, from atmospheric sciences to engineering. In the ODT model, the flow variables are resolved on all scales along a wall-normal, 1-D domain. These variables are evolved by a deterministic process representing molecular diffusion and by a stochastic process modeling the effect of turbulent advection and pressure fluctuations. Due to the reduction in dimensionality, the model is particularly appropriate for high Reynolds number flow. It is shown that the ODT model is able to capture salient features of the turbulent boundary layer-type flows by comparing the results with various available reference direct numerical simulation (DNS), large eddy simulation (LES) and experimental results. The comparison is presented for the mean velocity profiles, turbulent velocity fluctuation profiles (up to fourth order), the skin friction coefficient and shape factor for different bulk (Reb) and momentum Reynolds numbers (Reθ) using fixed model parameters. The influence of the model parameters is also discussed for various momentum Reynolds numbers for each investigated flow configuration. The results discussed in this thesis suggest that the ODT model is an economical and reasonably accurate approach for the simulation of turbulent boundary layer flows.show moreshow less
  • Die inkompressible sich zeitlich entwickelnde turbulente Grenzschicht (TBL) und die sich räumlich entwickelnde turbulente Grenzschicht (SBL) ohne Ausblasen und mit gleichmäßigem Ausblasen werden mit dem abbildungsbasierten stochastischen eindimensionalen Turbulenzmodell (ODT) analysiert. Das Verständnis dieser idealisierten Strömung ist von grundlegender Bedeutung für turbulente Grenzschichtströmungen, die in verschiedenen Anwendungen, von den Atmosphärenwissenschaften bis hin zu den Ingenieurwissenschaften, häufig anzutreffen sind. Die Strömungsvariablen werden in den vorliegenden ODT-Simulationen auf allen Skalen entlang eines wandnormalen 1-DRechengebietes aufgelöst. Diese Variablen werden durch einen deterministischen Prozess, der die molekulare Diffusion repräsentiert, und einen stochastischen Prozess entwickelt, der die Wirkung von turbulenten Advektionsund Druckschwankungen modelliert. Das Modell eignet sich aufgrund der reduzierten Dimensionalität besonders für hohe Reynoldszahlen. Es wird gezeigt, dass das ODT-Modell in derDie inkompressible sich zeitlich entwickelnde turbulente Grenzschicht (TBL) und die sich räumlich entwickelnde turbulente Grenzschicht (SBL) ohne Ausblasen und mit gleichmäßigem Ausblasen werden mit dem abbildungsbasierten stochastischen eindimensionalen Turbulenzmodell (ODT) analysiert. Das Verständnis dieser idealisierten Strömung ist von grundlegender Bedeutung für turbulente Grenzschichtströmungen, die in verschiedenen Anwendungen, von den Atmosphärenwissenschaften bis hin zu den Ingenieurwissenschaften, häufig anzutreffen sind. Die Strömungsvariablen werden in den vorliegenden ODT-Simulationen auf allen Skalen entlang eines wandnormalen 1-DRechengebietes aufgelöst. Diese Variablen werden durch einen deterministischen Prozess, der die molekulare Diffusion repräsentiert, und einen stochastischen Prozess entwickelt, der die Wirkung von turbulenten Advektionsund Druckschwankungen modelliert. Das Modell eignet sich aufgrund der reduzierten Dimensionalität besonders für hohe Reynoldszahlen. Es wird gezeigt, dass das ODT-Modell in der Lage ist, die wesentlichen Merkmale der turbulenten Grenzschichtströmungen zu erfassen, indem es die mittleren Geschwindigkeitsprofile, die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungsprofile (bis zur vierten Ordnung), den Mantelreibungskoeffizienten und den Formfaktor mit verschiedenen verfügbaren direkten numerischen Referenzsimulationen (DNS) und Grobstruktursimulationen (LES) vergleicht, die Ergebnisse für verschiedene Bulk- (Reb) und Momentum-Reynoldszahlen (Reθ) unter Verwendung fester Modellparameter. Der Einfluss der Modellparameter wird ebenfalls für die betrachteten Momentum-Reynoldszahlen und für die untersuchten Strömungskonfigurationen diskutiert. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse deuten darauf hin, dass das ODT-Modell ein wirtschaftlicher und akkurater Ansatz für die Simulation von turbulenten Grenzschichtströmungen ist.show moreshow less

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Metadaten
Author: RakhiORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64162
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6416
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Heiko Schmidt, Prof. Michael Oevermann, Prof. Philipp Schlatter
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/01/23
Release Date:2023/06/30
Tag:Eindimensionale Turbulenz; Stochastische Modellierung; Turbulente Grenzschicht; Turbulente Strömung
One-dimensional turbulence; Stochastic modeling; Turbulent boundary layer; Turbulent flow
GND Keyword:Turbulente Strömung; Turbulente Grenzschicht; Statistisches Modell
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Numerische Strömungs- und Gasdynamik
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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