Multi-particle models of molecular diffusion for Lagrangian simulation coupled with LES for passive scalar mixing in compressible turbulence

Y. Tai, T. Watanabe, K. Nagata
Multi-particle models of molecular diffusion for Lagrangian simulation coupled with LES for passive scalar mixing in compressible turbulence
Computers and Fluids, 221 104886 2021

This article may be found at https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2021.104886.

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Abstract

Lagrangian simulation coupled with large eddy simulation (LES) is studied for turbulent scalar mixing in compressible flows, where Lagrangian simulation solves advection-diffusion equations with computational particles. In Lagrangian simulation, a molecular diffusion term needs to be modeled with a so-called mixing model, which also requires modeling the dissipation rate of scalar fluctuations. The present study extends a particle-based subgrid-scale model for the scalar dissipation rate to compressible flows, and its validity in compressible turbulence is examined with direct numerical simulation databases of a temporally evolving turbulent planar jet with a jet Mach number of 0.6 or 1.6. A priori test confirms that the model can well predict the mean scalar dissipation rate in the subsonic and supersonic turbulent jets. The model hardly depends on the spatial distribution of the particles when the number of particles used in the model is about 12. However, the scalar dissipation rate tends to be overestimated by the model in regions with large dilatation fluctuations although such regions with strong compressibility effects occupy only a small part of the flow. Lagrangian simulation coupled with LES of the turbulent jet is also performed with the scalar dissipation model combined with the mixing volume model. Lagrangian simulation with these models effectively predicts passive scalar statistics, such as averages, rms fluctuations, and turbulent fluxes, in the turbulent jet with both subsonic and supersonic jet velocities. The scalar dissipation model well predicts the coarse-grained scalar dissipation rate in Lagrangian simulation. The present results confirm that the mixing volume model combined with the particle-based model of the scalar dissipation rate is useful in Lagrangian simulation coupled with LES, which is a promising approach for simulating high-speed turbulent reacting flows as reaction terms appear in Lagrangian simulation in a closed form.

日本語訳 (DeepL翻訳)

圧縮性乱流におけるパッシブスカラー混合のためのLESと連成したラグランジュシミュレーション用分子拡散多粒子モデル

圧縮性流れにおける乱流スカラー混合のために、ラグランジュシミュレーションとラージエディシミュレーション(LES)を組み合わせた研究を行っている。ラグランジュシミュレーションでは、計算粒子を用いて移流拡散方程式を解く。ラグランジュシミュレーションでは、分子拡散項をいわゆる混合モデルでモデル化する必要があり、スカラー変動の散逸率もモデル化する必要がある。本研究では、粒子ベースのサブグリッドスケールモデルを圧縮性流れに拡張し、圧縮性乱流におけるその妥当性を、噴流マッハ数0.6または1.6の時間発展型乱流平面噴流の直接数値シミュレーションデータベースで検証した。事前テストにより、このモデルは亜音速および超音速乱流噴流の平均スカラー散逸率を良好に予測できることが確認された。また、モデルに用いる粒子数が12個程度であれば、粒子の空間分布にほとんど依存しない。しかし、スカラー散逸率は、圧縮性の強い領域は流れのごく一部であるにもかかわらず、膨張変動が大きい領域でモデルによって過大評価される傾向がある。また,スカラー散逸モデルと混合体積モデルを組み合わせた乱流噴流のLESとラグランジュ・シミュレーションを行った.これらのモデルを用いたラグランジュシミュレーションは、亜音速と超音速の両方の噴流速度において、平均、rms振動、乱流フラックスなどのパッシブスカラー統計量を効果的に予測することができる。スカラー散逸モデルは、ラグランジュシミュレーションにおける粗視化されたスカラー散逸率をよく予測する。本結果は、粒子ベースのスカラー散逸率モデルと組み合わせた混合体積モデルが、LESと結合したラグランジュシミュレーションにおいて有用であることを確認した。ラグランジュシミュレーションでは反応項が閉形式で現れるため、高速乱流反応流のシミュレーションに有望なアプローチである。

GD

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