Comparación de Lattice Boltzmann y Navier-Stokes para la simulación de turbulencia zonal de flujos de viento urbanos
Autores: Camps Santasmasas, Marta; Zhang, Xutong; Parslew, Ben; Lane-Serff, Gregory F.; Millar, Joshua; Revell, Alistair
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Comparación de Lattice Boltzmann y Navier-Stokes para la simulación de turbulencia zonal de flujos de viento urbanos
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Modelado
Flujo turbulento
Dominio computacional
Simulación de grandes remolinos
Navier-Stokes promediado por Reynolds
Recursos computacionales
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
Al modelar el flujo turbulento alrededor de edificios, el dominio computacional necesita ser mucho más grande que el vecindario inmediato del edificio, lo que resulta en costos computacionales que son excesivos para muchas aplicaciones de ingeniería. Se presentan dos modelos anidados para resolver este problema, con un dominio exterior calculado utilizando un solucionador de Navier-Stokes promediado por Reynolds (RANS) en ambos casos. La región interna se calcula utilizando simulación de grandes remolinos (LES) a partir de un solucionador basado en Boltzmann de red (LB) y uno basado en Navier-Stokes (NS). Los dominios internos utilizan la velocidad media de RANS como condiciones de contorno para los límites superior y lateral e incorporan la turbulencia de RANS utilizando un método de remolino sintético (SEM) en la entrada del dominio interno. Ambos modelos se prueban utilizando un flujo de capa límite atmosférica alrededor de un edificio rectangular a ReH = 47,893, comparando los recursos computacionales utilizados y validando los resultados con mediciones experimentales. También se investiga el efecto de la turbulencia de entrada, el tamaño del dominio y el tamaño de la celda. Tanto las simulaciones basadas en LB como en NS son capaces de capturar correctamente la física del flujo y muestran una buena concordancia con los resultados experimentales. Ambos marcos de simulación se configuraron para ejecutarse en un tiempo computacional similar, con el fin de comparar los recursos computacionales utilizados. Debido al uso de programación en GPU, se estimó que el enfoque basado en LB era 25 veces más barato que la simulación NS. Así, estos resultados muestran que un solucionador LB-LES anidado puede realizar cálculos precisos de flujo de viento con recursos computacionales de nivel de consumidor/basados en la nube.
Descripción
Al modelar el flujo turbulento alrededor de edificios, el dominio computacional necesita ser mucho más grande que el vecindario inmediato del edificio, lo que resulta en costos computacionales que son excesivos para muchas aplicaciones de ingeniería. Se presentan dos modelos anidados para resolver este problema, con un dominio exterior calculado utilizando un solucionador de Navier-Stokes promediado por Reynolds (RANS) en ambos casos. La región interna se calcula utilizando simulación de grandes remolinos (LES) a partir de un solucionador basado en Boltzmann de red (LB) y uno basado en Navier-Stokes (NS). Los dominios internos utilizan la velocidad media de RANS como condiciones de contorno para los límites superior y lateral e incorporan la turbulencia de RANS utilizando un método de remolino sintético (SEM) en la entrada del dominio interno. Ambos modelos se prueban utilizando un flujo de capa límite atmosférica alrededor de un edificio rectangular a ReH = 47,893, comparando los recursos computacionales utilizados y validando los resultados con mediciones experimentales. También se investiga el efecto de la turbulencia de entrada, el tamaño del dominio y el tamaño de la celda. Tanto las simulaciones basadas en LB como en NS son capaces de capturar correctamente la física del flujo y muestran una buena concordancia con los resultados experimentales. Ambos marcos de simulación se configuraron para ejecutarse en un tiempo computacional similar, con el fin de comparar los recursos computacionales utilizados. Debido al uso de programación en GPU, se estimó que el enfoque basado en LB era 25 veces más barato que la simulación NS. Así, estos resultados muestran que un solucionador LB-LES anidado puede realizar cálculos precisos de flujo de viento con recursos computacionales de nivel de consumidor/basados en la nube.