Several high resolution schemes such as OSHER, MUSCL, SMART, GAMMA, WACEB and CUBISTA are applied to two typical test cases of a translation test and a collapsing water column problem for the accurate capturing of fluid interfaces. It is accomplished by implementing the high resolution schemes in the in-house CFD code(PowerCFD) for computing 3-D flow with an unstructured cell-centered method, which is based on the finite-volume technique and fully conservative. The calculated results are found to show that SMART scheme gives the best performance with respect to accuracy and robustness.
An unstructured implicit Euler solver is parallelized on a Cray T3E. Spatial discretization is accomplished by a cell-centered finite volume formulation using an unpwind flux differencing. Time is advanced by the Gauss-Seidel implicit scheme. Domain decomposition is accomplished by using the k-way N-partitioning method developed by Karypis. In order to analyze the parallel performance of the solver, flows over a 2-D NACA 0012 airfoil and a 3-D F-5 wing were investigated.
The Newton-Krylov method on the unstructured grid flow solver using the cell-centered spatial discretization oi compressible Euler equations is presented. This flow solver uses the reconstructed primitive variables to get the higher order solutions. To get the quadratic convergence of Newton method with this solver, the careful linearization of face flux is performed with the reconstructed flow variables. The GMRES method is used to solve large sparse matrix and to improve the performance ILU preconditioner is adopted and vectorized with level scheduling algorithm. To get the quadratic convergence with the higher order schemes and to reduce the memory storage. the matrix-free implementation and Barth's matrix-vector method are implemented and compared with the traditional matrix-vector method. The convergence and computing times are compared with each other.
The Pressure-based Unstructured-grid Navier-Stokes Solver PUNS-2/3D for incompressible steady and unsteady viscous flows has been developed. It is based on nonstaggered cell-centered finite volume method. Second-order upwind scheme with least-square reconstruction is used for convective fluxes. The SIMPLE method is implemented to couple the pressure and velocity fields. And the time derivatives in the momentum equations are discretised using a second-order Euler backward-differencing scheme. The discretised linear equations are solved by the preconditioned Biconjugate Gradient Stabilized method(Bi-CGSTAB). The developed solver is applied to validation problems using hybrid meshes.
The non-staggered(collocated) grid approach in which all the solution variables are located at the centers of control volumes is very popular for incompressible flow analyses because of its numerical efficiency on the curvilinear or unstructured grids. Rhie and Chow's paper is the first in using non-staggered grid method for SIMPLE algorithm, where pressure weighted interpolation was used to prevent decoupling of pressure and velocity. But it has been known that this non-staggered grid method has stability problems when pressure fields are nonlinear like in natural convection flows. Also Rhie-Chow scheme generates large numerical diffusion near curved walls. The cause of these unwanted problems is too large pressure damping term compared to the magnitude of face velocity. In this study the magnitude of pressure damping term of Rhie-Chow's method is limited to 1∼10% of face velocity to prevent physically unreasonable solutions. The wall pressure extrapolation which is necessary for cell-centered FVM is another source of numerical errors. Some methods are applied in a unstructured FV solver and analyzed in view of numerical accuracy. Here, two natural convection problems are solved to check the effect of the Rhie-Chow's method on numerical stability. And numerical diffusion from Rhie-Chow's method is studied by solving the inviscid flow around a circular cylinder.
An implicit turbulent flow solver is developed for 2-D unstructured hybrid meshes. Spatial discretization is accomplished by a cell-centered finite volume formulation using an upwind flux differencing. Time is advanced by an implicit backward Euler time stepping scheme. Flow turbulence effects are modeled by the Spalart-Allmaras one equation model, which is coupled with wall function. The numerical method is applied for flows on a flat plate, the NACA 0012 airfoil, and the Douglas 3 element airfoil. The results are compared with experimental data.
The natural convection heat transfer and solidification in a stratified pool are studied. The flow and heat transfer characteristics in a heat generating pool are compared between single-layered and double-layered pools. And local Nusselt number distributions on outer walls are obtained to consider thermal loads on a vessel wall. The cooling and solidification of Al₂O₃/Fe melt in a hemispherical vessel are simulated to study the mechanism of heat transfer and temperature distribution. A unstructured mesh is chosen for this study because of the non-orthogonality originated from the boundaries of double-layered pool. Interface between the layers is modeled to be fixed. With this assumption mass flux across the interface is neglected, but shear force and heat flux are considered by boundary conditions. The colocated cell-centered finite volume method is used with the Rhie-Chow interpolation to compute cell face velocity. To prevent non-physical solutions near walls in case body force is large the wall pressure is extrapolated by the way to include body force. The numerical solutions calculated by current method show that averaged downward heat flux of the double-layered pool increases compared to single-layered pool and maximum temperature occurs right below the interface of the layers.
본 연구에서는 비정렬격자계와 체적포착법을 사용하여 표면장력이 지배적인 다상유동의 수치해석 방법을 제시하였다. 먼저 표면장력에 대한 CSF(Continuum Surface Force) 모델을 비정렬격자계에 적용할 수 있도록 수치해석 방법을 확립시켜 Myong(2009)이 개발한 비정렬격자계와 체적포착법을 사용한 수치 해석코드에 삽입하였다. 테스트 문제로 오직 표면장력만이 존재하는 평형상태의 정적(static) 액적 및 비평형상태의 동적(dynamic) 액적 문제에 적용하여, 이 해석방법의 유용성과 정확도를 평가하였다. 연구결과, 매끄러운 곡률 계산을 위해 필요한 필터로 본 연구에서 제안한 Laplacian 필터와 함께 CSF 모델로는 밀도보정(density-scaled)한 CSF 모델이 예측성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한 표면장력 계산을 위한 이 모델을 채용한 본 수치해석방법은 표면장력이 지배적인 다상유동인 평형상태의 정적 액적 및 비평형상태의 동적 액적 문제 모두에 대해 정확성과 유용성이 입증되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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