Numerical modelling of turbulence by Richardson number-based and VMS models

• Autores: Samuele Rubino
• Directores de la Tesis: Tomás Chacón Rebollo (dir. tes.) , Macarena Gómez Mármol (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2014
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 194
• Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Fernández Cara (presid.) , Jose Manuel Vega de Prada (secret.) , John Werner Peter Volker (voc.) , Roger Lewandowski (voc.) , Erik Nils Burman (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • La presente tesis aborda el modelado numérico de la turbulencia mediante modelos de Richardson y de Multiescala Variacional (VMS).

    En la primera parte, nos centramos en los modelos basados en el número de Richardson, que se utilizan con frecuencia en Oceanografía. El océano es un sistema básicamente turbulento. Por lo tanto, es crucial modelar la turbulencia oceánica, con el fin de mejorar la comprensión de sus efectos. En este trabajo, los modelos algebraicos basados en el número gradiente de Richardson son teórica y numéricamente estudiados. Estos modelos pertenecen a la clase de modelos de turbulencia URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes), y son en gran medida utilizados por los físicos oceanográfos para parametrizar la capa de mezcla en el contexto de los Modelos de Circulación Oceánica General (OGCM), con el fin de tener mejor en cuenta la influencia de interacciones entre la atmósfera y la superficie del océano. Llevamos a cabo un análisis de estabilidad no-lineal de modelos algebraicos de turbulencia para capas de mezcla oceánicas, apoyado por experimentos numéricos. Este estudio establece un criterio más general para el análisis de modelos de capa de mezcla con respecto a las referencias existentes.

    En la segunda parte, se estudian los modelos VMS para la simulación de flujos incompresibles en régimen laminar y turbulento. Estos modelos se utilizan cada vez más como una válida alternativa a modelos de tipo LES (Large Eddy Simulation), ya que proporcionan una precisión similar, y evitan algunas desventajas. La simulación de flujos limitados por paredes sólidas a través de modelos VMS, sin embargo, puede llegar a ser muy costosa en términos de recursos computacionales debido al cálculo de las capas límite, que requiere un mallado muy fino en la dirección normal a las paredes. Una alternativa para superar esta dificultad viene dada por el uso de leyes de pared. Las leyes de pared son ampliamente utilizadas en la simulación de la turbulencia en Ingeniería, usualmente en modelos de tipo RANS. En este trabajo, nos centramos en el uso de modelos VMS-LES con condiciones de contorno mixtas, que incluyen leyes de pared. Proponemos trabajar con un modelo de proyección VMS-LES, que proporciona una separación del flujo en tres escalas. Para proponer un método numérico viable para la aproximación de flujos laminares y turbulentos, también consideramos la combinación con métodos estabilizados, que encajan perfectamente en el marco VMS. El análisis numérico y la validación a través de la simulación de flujos relevantes en 3D justifican el interés de nuestro enfoque. El método propuesto proporciona resultados similares a los de otros modelos VMS más complejos existentes en la literatura, y ofrece un buen balance entre precisión y complejidad computacional.