Post-processing enhancement: feature detection and evaluation of unsteady/steady flows

Costa Vinha, Nuno Filipe da (2017). Post-processing enhancement: feature detection and evaluation of unsteady/steady flows. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.47647.

Descripción

Título: Post-processing enhancement: feature detection and evaluation of unsteady/steady flows
Autor/es:
  • Costa Vinha, Nuno Filipe da
Director/es:
  • Valero Sánchez, Eusebio
  • Meseguer Garrido, Fernando
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 30 Junio 2017
Materias:
Escuela: E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM)
Departamento: Matemática Aplicada a la Ingeniería Aeroespacial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El crecimiento exponencial de la capacidad de cálculo de los ordenadores, así como la elevada fiabilidad y precisión de códigos de simulación actuales, han motivado un uso cada vez mayor de la Mecánica de Fluidos Computacional (conocida por sus siglas en inglés, CFD) en el análisis de problemas de fluidos complejos y altamente no lineales. Estos flujos normalmente abarcan un gran número de escalas y estructuras fluidas, y su elevada complejidad hace que sea un desafío alcanzar una clara comprensión del problema inherente. Además, las simulaciones numéricas actuales generan grandes cantidades de datos que tienen que ser evaluados. No obstante, las herramientas de post-proceso existentes en la actualidad no permiten extraer con precisión, y de forma eficiente, toda la información relevante contenida en los datos. La búsqueda de estructuras fluidas de relevancia a través de técnicas de visualización clásicas, podría resultar un esfuerzo ineficaz o, al menos, ineficiente. Alternativamente, con el uso de técnicas de detección de estructuras fluidas y de descomposición modal, la identificación de las estructuras fluidas relevantes se hace de una manera mucho más directa, posibilitando visualizaciones más precisas y análisis más rápidos. En esta tesis, se estudian estas dos metodologías punteras de post-proceso, y se las aplican a problemas con fuerte componente físico e industrial: el flujo sobre una cavidad abierta tridimensional, y el motor de rotor abierto (siglas en inglés CROR). Por un lado, y entre las técnicas existentes para la detección de estructuras fluidas, están los métodos de detección de torbellinos que delimitan zonas de flujo rotatorias (conocidos en inglés por métodos Region-based, RB), y los métodos que permiten la reconstrucción de las líneas imaginarias que siguen el centro de los torbellinos (conocidos en inglés por métodos Line-based, LB). Por otro lado, el método de descomposición dinámica de modos (siglas en inglés DMD) es una herramienta reciente utilizada para descomponer flujos con comportamiento oscilante en modos espaciales, con la ventaja de asociar cada modo dinámico a una sola frecuencia. En primer lugar, la técnica de DMD se utiliza para investigar el proceso de saturación producido dentro de una cavidad abierta rectangular. Estudios anteriores, basados en experimentos y en análisis de estabilidad lineal del problema, permitieron una descripción completa del flujo en un estado inicial, así como en un régimen saturado, caracterizado por la existencia de modos centrífugos tridimensionales. La morfología de los modos observados en la campaña experimental coincide con la obtenida a través de análisis de estabilidad, pero con diferencias considerables en frecuencia entre los modos oscilatorios dominantes. Este trabajo presenta una simulación numérica detallada de todo el proceso de saturación, desde el flujo 2D a 3D, centrándose en el mecanismo primordial que produce dichas discrepancias. La capacidad del DMD para analizar la dinámica relacionada con este problema se demuestra en esta tesis, permitiendo explicar la naturaleza principal de dichas diferencias. En segundo lugar, se aplican algunos algoritmos de detección de torbellinos al caso específico de CROR, con el objetivo de rastrear y visualizar la trayectoria de los torbellinos generados en la punta de las palas. Esta información es indispensable para percibir y prevenir posibles situaciones de impacto entre torbellinos y las palas de los rotores subsiguientes, ya que esta situación influye negativamente en el comportamiento aerodinámico y acústico del motor. Primero, se evalúa la idoneidad y el desempeño de cuatro criterios fundamentales de detección de torbellinos RB, y de un método de detección LB. Posteriormente, se introducen dos nuevas metodologías que mejoran el proceso de inicialización requerida por el método LB implementado, facilitando resultados más rápidos y precisos durante el proceso iterativo de desarrollo. ----------ABSTRACT---------- The exponential growth in computational capabilities, and the increasing reliability and precision of current simulation solvers, has fostered the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) in the analysis of highly non-linear and complex flow problems. The nature of these flows usually involves a large number of scales and flow features, which makes very challenging to achieve a clear understanding of the inherent problem. Additionally, current numerical simulations produce large amounts of raw data that needs to be evaluated. However existing post-processing tools are unable to extract with accuracy and efficiency all the valuable information contained in it. Searching for meaningful structures through the entire dataset, by means of classical visualization techniques, might result in a fruitless, or at least inefficient, effort. Alternatively, with the use of flow feature detection and data decomposition techniques, the identification of the relevant features becomes much more straightforward, allowing more accurate visualizations and faster analysis, with lower uncertainties. In this thesis, these two promising post-processing approaches are studied, and applied to problems of physical and industrial relevance: a three-dimensional open cavity flow, and a Counter-Rotating Open Rotor (CROR) engine. On the one hand, amongst current feature detection techniques, Region-based (RB) vortex detection methods can delimit rotating regions in the flow, while Line-based (LB) ones are capable of reconstructing the imaginary center lines of the vortices. On the other hand, the Dynamic Mode Decomposition (DMD) is a recent tool used to decompose oscillatory dominated flows into spatial modes, with the advantage of associating each extracted dynamic mode to a single frequency. At first, the DMD technique is employed to investigate the dynamics of saturation inside a rectangular open cavity. Previous experiments and linear stability analysis of the problem completely described the flow in its onset, as well as in a saturated regime, characterized by coherent three-dimensional centrifugal modes. The morphology of the modes observed in the experiments matched the ones predicted by linear analysis, but with a shift in frequencies for the dominant oscillating modes. This work presents a detailed numerical simulation of the entire saturation process, from 2D to 3D flow, shedding some light on the main mechanism that produces the discrepancies encountered between both approaches. The capability of the DMD to analyze the underlying dynamics inside the cavity is demonstrated in this thesis, enabling to explain the main reason for the aforementioned differences in frequency. Finally, some vortex detection algorithms are applied to the particular case of CROR, aiming the monitoring and visualization of the trajectory of the vortices generated at the tip of the front rotating blades. This is of critical importance to understand and prevent vortex-blade interaction with subsequent stages, as this non-linear flow topology strongly influences the aerodynamic performance and acoustic footprints of the engine. The suitability and performance of four typical Region-based (RB) vortex detection criteria, and one Line-based (LB) method, are firstly evaluated. Then, two new methodologies are introduced that improve the original assortment of seeds required by the tested LB method, as they increase the probability of the selected seeds to grow into a tip vortex line, providing faster and more accurate answers during the design-to-noise iterative process.

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ID de Registro: 47647
Identificador DC: http://oa.upm.es/47647/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47647
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.47647
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 05 Sep 2017 06:29
Ultima Modificación: 12 Sep 2017 08:41
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