A correlation-based algebraic transition model for flow over rough surfaces

Noei Yazdian, Mehrdad (2023). A correlation-based algebraic transition model for flow over rough surfaces. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The problem of icing is one of the challenges in the aviation industry which has not been tackled completely. Aircraft icing can affect flight safety in many ways. When the aircraft undergoes icing, due to the changes in the shape and roughness of the surface, the maximum lift coefficient, critical stall speed and slope of the lift curve decrease, while the drag increase. Rough surfaces, such as ice, cause the transition onset location to move upstream and the flow becomes turbulent at lower Reynolds numbers. Since in turbulent flow, the cooling effect increases significantly compared to laminar flow, it is important to locate the onset of the transition for ice accretion simulation. Several Reynolds-averaged Navier-Stokes transition models exist; However, they were mostly developed over smooth surfaces. For further development over rough surfaces, the SA-BCM (Spalart-Allmaras Bas-Çakmakçıoğlu with Modifications) transition model was adopted. The SA-BCM transition model is classified as an algebraic or zero-equation model since it employs an intermittency function rather than deriving additional equations for intermittency transport. The underlying model for the SABCM transition model is the well-established and validated Spalart-Allmaras (SA) turbulence model. To detect the transition onset location, the turbulence production term of the SA model has been damped with an intermittency function until it satisfies a turbulence onset criteria using empirical correlations. First, the experimental results from literature over rough flat plate were utilised as a reference to further develop the SA-BCM model to account for surface roughness. In this experiment, the effect of different roughness heights on the transition onset location at a constant free stream velocity has been studied and documented. The empirical correlation mentioned previously has been modified to mimic the same transition location as the experimental results. The model was calibrated against a flat plate with a zero-pressure gradient and various equivalent sand-grain roughness heights. In the next step, the NACA0012 airfoil has been chosen to validate the roughness correlation. The validation is done using the same geometry and two Reynolds numbers. The model was able to set the transition point in between the transition region compared to the experimental and other CFD results. However, it was unable to exactly predict the transition onset location and the end of the transition region.

Titre traduit

Un modèle de transition algebrique basé sur la correlation pour l'écoulement sur des surfaces rugueuses

Résumé traduit

Le problème du givrage est l'un des défis de l'industrie aéronautique qui n'a pas été complètement résolu. Le givrage des aéronefs peut affecter la sécurité des vols de plusieurs façons. Lorsque l'avion subit du givrage, en raison de changements dans la forme et la rugosité de la surface, le coefficient de portance maximal, la vitesse de décrochage et la pente de la courbe de portance diminuent, tandis que la traînée augmente. Les surfaces rugueuses, telles que la glace, font que l'emplacement de départ de la transition se déplace vers l'amont et que l'écoulement devient turbulent à des nombres de Reynolds inférieurs. Étant donné qu'en écoulement turbulent l'effet, de refroidissement augmente considérablement par rapport à l'écoulement laminaire, il est important de localiser le début de la transition pour la simulation de l'accrétion de glace. Il existe plusieurs modèles de transition pour la moyenne de Reynolds des équations de Navier-Stokes; Cependant, ils sont principalement développés pour des surfaces lisses. Pour un développement ultérieur sur des surfaces rugueuses, le modèle de transition SA-BCM (Spalart-Allmaras Bas-Çakmakçıoğlu avec modifications) a été adopté. Le modèle de transition SA-BCM est classé comme un modèle algébrique ou à zéro équation car il utilise une fonction d'intermittence plutôt que de dériver des équations supplémentaires pour le transport d'intermittence. Le modèle sous-jacent du modèle de transition SA-BCM est le modèle de turbulence Spalart-Allmaras (SA) bien établi et validé. Pour détecter l'emplacement de début de transition, le terme de production de turbulence du modèle SA a été amorti avec une fonction d'intermittence jusqu'à ce qu'il satisfasse aux critères de début de turbulence en utilisant des corrélations empiriques. Tout d'abord, les résultats expérimentaux de la littérature sur une plaque plane rugueuse ont été utilisés comme référence pour développer le modèle SABCM afin de tenir compte de la rugosité de surface. Dans cette expérience, l'effet de différentes hauteurs de rugosité sur l'emplacement de début de transition à une vitesse d'écoulement libre constante a été étudié et documenté. La corrélation empirique mentionnée précédemment a été modifiée pour reproduire le même emplacement de transition que les résultats expérimentaux. Le modèle a été calibré par rapport à une plaque plane avec un gradient de pression nulle et diverses hauteurs de rugosité de grain de sable équivalentes. Dans l'étape suivante, le profil aérodynamique NACA0012 a été choisi pour valider la corrélation de rugosité. La validation se fait en utilisant la même géométrie et deux nombres de Reynolds. Le modèle a pu définir le point de transition entre la région de transition par rapport aux résultats expérimentaux et autres résultats CFD. Cependant, il n'a pas été en mesure de prédire exactement l'emplacement du début de la transition et la fin de la région de transition.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 89-96).
Mots-clés libres:	rugosité, turbulence, SA-BCM, profil givré, transition laminaire/turbulente
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Morency, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	27 févr. 2023 16:05
Dernière modification:	27 févr. 2023 16:05
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3186

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