Implementation of the Multi-Level Multi-Integration Cluster Method to the Treatment of Vortex Particle Interactions for Fast Wind Turbine Wake Simulations

2018 ◽  
Author(s):  
Joseph Saverin ◽  
David Marten ◽  
George Pechlivanoglou ◽  
Christian Oliver Paschereit ◽  
Arne van Garrel
Keyword(s):  
Finite Volume ◽  
Polynomial Interpolation ◽  
Numerical Models ◽  
Particle Interaction ◽  
Particle Method ◽  
Rate Of Change ◽  
Cluster Method ◽  
Computational Expense ◽  
Fast Wind ◽  
Vortex Particle

A method for the treatment of the evolution of the wake of aerodynamic bodies has been implemented. A vortex particle method approach has been used whereby the flow field is discretized into numerical volumes which possess a given circulation. A lifting line formulation is used to determine the circulation of the trailing and shed vortex elements. Upon their release vortex particles are allowed to freely convect under the action of the blade, the freestream and other particles. Induced velocities are calculated with a regularized form of the Biot-Savart kernel, adapted for vortex particles. Vortex trajectories are integrated in a Lagrangian sense. Provision is made in the model for the rate of change of the circulation vector and for viscous particle interaction; however these features are not exploited in this work. The validity of the model is tested by comparing results of the numerical simulation to the experimental measurements of the Mexico rotor. A range of tip speed ratios are investigated and the blade loading and induced wake velocities are compared to experiment and finite-volume numerical models. The computational expense of this method scales quadratically with the number of released wake particles N. This results in an unacceptable computational expense after a limited simulation time. A recently developed multilevel algorithm has been implemented to overcome this computational expense. This method approximates the Biot-Savart kernel in the far field by using polynomial interpolation onto a structured grid node system. The error of this approximation is seen to be arbitrarily controlled by the polynomial order of the interpolation. It is demonstrated that by using this method the computational expense scales linearly. The model’s ability to quickly produce results of comparable accuracy to finite volume simulations is illustrated and emphasizes the opportunity for industry to move from low fidelity, less accurate blade-element-momentum methods towards higher fidelity free vortex wake models while keeping the advantage of short problem turnaround times.

On the Influence of Inflow Model Selection for Time-Domain Tiltrotor Aeroelastic Analysis

2021 ◽  
Author(s):  
Ethan Corle ◽  
Matthew Floros ◽  
Sven Schmitz
Keyword(s):  
Experimental Data ◽  
Particle Method ◽  
Comprehensive Analysis ◽  
Solution Stability ◽  
Step Size ◽  
Time Step ◽  
Time Step Size ◽  
Vortex Particle Method ◽  
Whirl Flutter ◽  
Vortex Particle

The methods of using the viscous vortex particle method, dynamic inflow, and uniform inflow to conduct whirl-flutter stability analysis are evaluated on a four-bladed, soft-inplane tiltrotor model using the Rotorcraft Comprehensive Analysis System. For the first time, coupled transient simulations between comprehensive analysis and a vortex particle method inflow model are used to predict whirl-flutter stability. Resolution studies are performed for both spatial and temporal resolution in the transient solution. Stability in transient analysis is noted to be influenced by both. As the particle resolution is refined, a reduction in simulation time-step size must also be performed. An azimuthal time step size of 0.3 deg is used to consider a range of particle resolutions to understand the influence on whirl-flutter stability predictions. Comparisons are made between uniform inflow, dynamic inflow, and the vortex particle method with respect to prediction capabilities when compared to wing beam-bending frequency and damping experimental data. Challenges in assessing the most accurate inflow model are noted due to uncertainty in experimental data; however, a consistent trend of increasing damping with additional levels of fidelity in the inflow model is observed. Excellent correlation is observed between the dynamic inflow predictions and the vortex particle method predictions in which the wing is not part of the inflow model, indicating that the dynamic inflow model is adequate for capturing damping due to the induced velocity on the rotor disk. Additional damping is noted in the full vortex particle method model, with the wing included, which is attributed to either an interactional aerodynamic effect between the rotor and the wing or a more accurate representation of the unsteady loading on the wing due to induced velocities.

Development of a hybrid compressible vortex particle method and application to external problems including helicopter flows

2014 ◽  
Author(s):  
Γεώργιος Παπαδάκης
Keyword(s):  
Particle Method ◽  
Vortex Particle Method ◽  
Vortex Particle

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας νέας υβριδικής μεθο-δολογίας CFD για την επίλυση εξωτερικών αεροδυναμικών ροών. Η ιδέα πίσω απότην εργασία ήταν η ανάγκη για προσομοιώσεις σύνθετων προβλημάτων στα οποία κυ-ριαρχούν ισχυρές δομές στροβιλότητας και που υπάρχουν σώματα τα οποία κινούνταιανεξάρτητα μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν δύο υπολογιστικά εργαλείατα οποία συνενώθηκαν σε ένα υβριδικό επιλυτή. Πιο συγκεκριμένα:Ο Eulerian CFD επιλυτής (MaPFlow): Αναπτύχθηκε ένας συμπιεστός URANS επι-λυτής που λύνει πάνω σε μή δομημένα πλέγματα. Ο συγκεκριμένος επιλυτής είναιεφοδιασμένος με προσταθεροποιητή για χαμηλούς αριθμούς Mach για την προσομοί-ωση ασυμπίεστων ροών. Η μοντελοποίηση της τύρβης γίνεται είτε με το μοντέλομίας εξίσωσης του Spalart-Almaras είτε με το μοντέλο δύο εξισώσεων k-! SST τουMenter. Ακόμη, ο επιλυτής μπορεί να χειριστεί κινούμενα ή παραμορφώσιμα πλέγματαενώ έχει παραλληλοποιηθεί με τη χρήση του πρωτοκόλλου MPI.O Lagrangian επιλυτής: Διατυπώθηκε και αναπτύχθηκε ένας συμπιεστός Lagrangianεπιλυτής που χρησιμοποιεί στοιχεία στροβιλότητας. Η συγκεκριμένη διατύπωση χρη-σιμοποιεί στοιχεία ρευστού που μεταφέρουν μάζα, μεταβολή του όγκου, στροβι-λότητα, ενέργεια και όγκο για να μπορεί να διαχειριστεί συμπιεστές ροές. Για ναμειωθεί το υπολογιστικό κόστος του επιλυτή χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος ParticleMesh (PM) η οποία παραλληλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του James-Lackner.Σύυζευξη των δύο επιλυτών σε ένα υπολογιστικό εργαλειό (HoPFlow): Υλοποιήθηκεισχυρή σύζευξη των Eulerian και Lagrangian επιλυτών σε μία υβριδική μεθοδολογία.Η σύζευξη έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε να διασφαλίζει συνέχεια και συνέπεια τηςλύσης ανάμεσα στους δύο επιλυτές.Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία έχουν σκοπό τηνπιστοποίηση των εργαλείων που υλοποιήθηκαν. Αρχικά, παρουσιάζονται αποτελέ-σματα που αφορούν την πιστοποίηση του Εulerian URANS επιλυτή. Η πιστοποίησηπεριλαμβάνει συγκρίσεις με πειραματικά αλλά και υπολογιστικά δεδομένα σε διάφο-ρες διδιάστατες και τριδιάστατες ροές. Στη συνέχεια, ακολουθεί η πιστοποίηση τουυβριδικού επιλυτή όπου γίνεται σύγκριση με τα αντίστοιχα Eulerian αποτελέσματααλλά και με πειραματικά δεδομένα.Οι περιπτώσεις πιστοποίησης που εξετάστηκαν περιλαμβάνουν διδιάστατες ροέςγύρω από σταθερές και κινούμενες αεροτομές σε πληθώρα αριθμών Reynolds καιMach. Οι τρισδιάστατες περιπτώσεις που παρουσιάζονται αφορούν ροές γύρω απόσταθερά και περιστρεφόμενα πτερύγια (Δρομείς Ανεμογεννητριών και Ελικοπτέρου).Η χρήση των υπολογιστικών εργαλείων σε πληθώρα περιπτώσεων έδειξαν ότι καιο Εulerian CFD επιλυτής (MaPFlow) όπως και ο υβριδικός επιλυτής (HoPFlow)παράγουν ικανοποιητικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, ο υβριδικός επιλυτής έχει λι-γότερη διάχυση από τον Eulerian και για αυτό στις περιπτώσεις όπου κυριαρχούνισχυροί στρόβιλοι (όπως ο δρομέας ελικοπτέρου σε αιώρηση) τα αποτελέσματα πουπαράγονται είναι καλύτερα. Θα πρέπει να τονιστεί ότι οι περισσότερες περιπτώσειςπου εξετάστηκαν, είναι απλούστερες από αυτές για τις οποίες αναπτύχθηκε η υβρι-δική μέθοδος. Παρόλα αυτά, η επιλογή τους έγινε με σκοπό την πιστοποίηση τηςκαινούργιας μεθόδου που προηγείται της χρήσης της σε πιο σύνθετες ροές.

scholarly journals A Study on the accuracy of finite volume numerical models with non-rectangular mesh

2021 ◽  
Vol 0 (0) ◽  
pp. 0-0
Author(s):  
M. Morovvat ◽  
A. R. Zarrati ◽  
M. R. Jalili-Ghazizadeh
Keyword(s):  
Finite Volume ◽  
Numerical Models ◽  
Rectangular Mesh

3D Simulation of Molten Metal Freezing Behaviour Using Finite Volume Particle Method

2010 ◽  
Author(s):  
Rida S. N. Mahmudah ◽  
Masahiro Kumabe ◽  
Takahito Suzuki ◽  
LianCheng Guo ◽  
Koji Morita ◽  
...  
Keyword(s):  
Molten Metal ◽  
Finite Volume ◽  
Particle Method ◽  
Metal Structure ◽  
Freezing Behavior ◽  
Severe Accident ◽  
Particle Methods ◽  
Freezing Process ◽  
Penetration Length ◽  
Moving Particle

Understanding the freezing behavior of molten metal in flow channels is of importance for severe accident analysis of liquid metal reactors. In order to simulate its fundamental behavior, a 3D fluid dynamics code was developed using Finite Volume Particle (FVP) method, which is one of the moving particle methods. This method, which is fully Lagrangian particle method, assumes that each moving particle occupies certain volume. The governing equations that determine the phase change process are solved by discretizing its gradient and Laplacian terms with the moving particles. The motions of each particle and heat transfer between particles are calculated through interaction with its neighboring particles. A series of experiments for fundamental freezing behavior of molten metal during penetration on to a metal structure was also performed to provide data for the validation of the developed code. The comparison between simulation and experimental results indicates that the present 3D code using the FVP method can successfully reproduce the observed freezing process such as molten metal temperature profile, frozen molten metal shape and its penetration length on the metal structure.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document