International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제12권4호
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pp.318-330
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2011
This paper investigates the convergence characteristics of the modified artificial compressibility method proposed by Turkel. In particular, a focus is mode on the convergence characteristics due to variation of the preconditioning factor (${\alpha}_u$) and the artificial compressibility (${\beta}$) in conjunction with an upwind method. For the investigations, a code using the modified artificial compressibility is developed. The code solves the axisymmetric incompressible Reynolds averaged Navier-Stokes equations. The cell-centered finite volume method is used in conjunction with Roe's approximate Riemann solver for the inviscid flux, and the central difference discretization is used for the viscous flux. Time marching is accomplished by the approximated factorization-alternate direction implicit method. In addition, Menter's k-${\omega}$ shear stress transport turbulence model is adopted for analysis of turbulent flows. Inviscid, laminar, and turbulent flows are solved to investigate the accuracy of solutions and convergence behavior in the modified artificial compressibility method. The possible reason for loss of robustness of the modified artificial compressibility method with ${\alpha}_u$ >1.0 is given.
The artificial compressibility (AC) method for the incompressible Navier-Stokes equations in the generalized curvilinear coordinates using the primitive form is implemented. The main advantage of the AC approach is that the resulting system of equations resembles the system of compressible N-S equations and can thus be integrated in time using standard, well-established time-marching methods. The errors, which are the odd-even oscillation, for pressure field in using the artificial compressibility can be eliminated by using the $4^{th}$ order artificial dissipation term which is explicitly included. Even though this paper focuses exclusively on 2D laminar flows to validate and assess the performance of this solver, this numerical method is general enough so that it can be readily extended to carry out 3D URANS simulation of engineering flows. This algorithm yields practically identical velocity profiles and primary vortex and secondary vortices that are in excellent overall agreement with the results of the vorticity-stream function formulation (Ghia et al., 1982). However, the grid resolution have to be required to be large enough to express the various vortices.
In this paper, a new computational code was developed using Chorin's artificial compressibility method to solve the two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations. In spatial derivatives, Roe's flux difference splitting was used for the inviscid flux, while central differencing was used for the viscous flux. Furthermore, AF-ADI with dual time stepping method was implemented for accurate unsteady computations. Two-equation turbulence models, Menter's $k-{\omega}$ SST model and Coakley's $q-{\omega}$ model, hae been adopted to solve high-Reynolds number flows. A number of numerical simulations were carried out for steady laminar and turbulent flow problems as well as unsteady flow problem. The code was verified and validated by comparing the results with other computational results and experimental results. The results of numerical simulations showed that the present developed code with the artificial compressibility method can be applied to slve steady and unsteady incompressible flows.
Viscous analysis on incompressible flows is performed using unstructured triangular meshes. A two-dimensional and axisymmetric incompressible Navier-Stokes equations are solved in time-marching form by artificial compressibility method. The governing equations are discretized by a cell-centered based finite-volume method. and a centered scheme is used for inviscid and viscous fluxes with fourth order artificial dissipation. An explicit multi-stage Runge-Kutta method is used for the time integration with local time stepping and implicit residual smoothing. Convergence properties are examined and solution accuracies are also validated with benchmark solution and experiment.
An unstructured hybrid mesh flow solver has been developed for the simulations of three dimensional steady and unsteady incompressible flow fields. The incompressible Navier-Stokes equations with an artificial compressibility method were discretized by using a node-based finite-volume method. For the unsteady time-accurate computation, a dual-time stepping method was adopted to satisfy a divergence free flow field at each physical time step. The one equation Spalart-Allmaras turbulence model has been adopted to solve the high-Reynolds number flow fields. This method has been applied to calculate the steady flow fields around submarine configurations and unsteady flow fields around a 3-D infinite cylinder.
The governing equations in generalized curvilinear coordinates for 3D laminar flow are the Incompressible Navier-Stokes (INS) equations with the artificial dissipative terms. and continuity equation discretized using a second-order accurate, finite volume method on the nonstaggered computational grid. This method adopts a dual or pseudo time-stepping Artificial Compressibility (AC) method integrated in pseudo-time. Multigrid methods are also applied because solving the equations on the coarse grids requires much less computational effort per iteration than on the fine grid. The algorithm yields practically identical velocity profiles and secondary flows that are in excellent overall agreement with an experimental measurement (Humphrey et al., 1977).
The governing equations in generalized curvilinear coordinates for a 3D pulsatile flow are the Incompressible Navier-Stokes (INS) equations with the artificial dissipative terms and continuity equation discretized using a second-order accurate, finite volume method on the nonstaggered computational grid. This method adopts a dual or pseudo time-stepping Artificial Compressibility (AC) method integrated in pseudo-time. The computational technique implements the implicit approximate factorization method of the Beam and Warming method (1978), which is the extension of the Alternate Direction Implicit (ADI) method. The algorithm yields practically identical velocity profiles and secondary flows that are in excellent overall agreement with an experimental measurement (Rindt & Steenhoven, 1991).
액체-기체의 2상 유동에 대한 수치해석 기법을 연구하였다. 비압축성 방정식에는 가상 압축성 기법을 적용하였으며 LS와 VOF를 합친 CLSVOF 기법을 적용하여 액체-기체 경계면을 추적하였다. CLSVOF의 격자 의존도를 파악하기 위해 h=1/64, 1/128, 1/128, 그리고 1/160의 격자로 Zalesak's disk 문제와 액체의 3차원 변형 문제의 수치해석을 실시했으며 격자가 최대 보존 오차에 미치는 영향을 조사하였다. 비압축성 2상 유동 방정식을 적용하여 Rayleigh-Taylor 불안정성에 대한 수치해석을 실시하였고 밀도 차에 의한 액체 표면 불안정성이 나타난다는 것을 알 수 있었다.
Two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations have been solved by the node-centered finite volume method with the unstructured triangular meshes. The pressure-velocity coupling is handled by the artificial compressibility algorithm due to its computational efficiency associated with the hyperbolic nature of the resulting equations. The convective fluxes are obtained by the Roe's flux difference splitting scheme using edge-based connectivities and higher-order differences are achieved by a reconstruction procedure. The time integration is based on an explicit four-stage Runge-Kutta scheme. Numerical procedures with local time stepping and implicit residual smoothing have been implemented to accelerate the convergence for the steady-state solutions. Comparisons with experimental data and other numerical results have proven accuracy and efficiency of the present unstructured approach.
An unstructured hybrid mesh flow solver has been developed for the simulation of three-dimensional steady and unsteady incompressible flow fields. The incompressible Navier-Stokes equations with an artificial compressibility method were discretized by using a node-based finite-volume method. For the unsteady time-accurate computation, a dual-time stepping method was adopted to satisfy a divergence-free flow field at each physical time step. An implicit time integration method with local time stepping was implemented to accelerate the convergence in the pseudo-time sub-iteration procedure. The one-equation Spalart-Allmaras turbulence model has been adopted to solve high-Reynolds number flow fields. The flow solver was parallelized to minimize the CPU time and to overcome the computational overhead. This method has been applied to calculate steady and unsteady flow fields around submarine configurations and a 3-D infinite cylinder. Validations were made by comparing the predicted results with those of experiments or other numerical results. It was demonstrated that the present method is efficient and robust for the prediction of steady and unsteady incompressible flow fields.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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