Boundary Conditions and SGS Models for LES of Wall-Bounded Separated Flows: An Application to Engine-Like Geometries

Conditions aux limites et modèles SGS pour les simulations LES d’écoulements séparés délimités par des parois : une application aux géométries de type moteur

¹ Dip. di Energia, Politecnico di Milano, via Lambruschini 4, 20156 Milano - Italy
² DIEM, Universit6 di Bologna, Viole Risorgimento 2, Bologna - Italy
e-mail: federico.piscaglia@polimi.it - andrea.montorfano@polimi.it - angelo.onorati@polimi.it - federico.brusiani3@unibo.it

^⋆ Corresponding author

Abstract

The implementation and the combination of advanced boundary conditions and subgrid scale models for Large Eddy Simulations are presented. The goal is to perform reliable cold flow LES simulations in complex geometries, such as in the cylinders of internal combustion engines. The implementation of an inlet boundary condition for synthetic turbulence generation and of two subgrid scale models, the local Dynamic Smagorinsky and the Wall-Adapting Local Eddy-viscosity SGS model ( WALE) is described. The WALE model is based on the square of the velocity gradient tensor and it accounts for the effects of both the strain and the rotation rate of the smallest resolved turbulent fluctuations and it recovers the proper y³ near-wall scaling for the eddy viscosity without requiring dynamic pressure; hence, it is supposed to be a very reliable model for ICE simulation. Model validation has been performed separately on two steady state flow benches: a backward facing step geometry and a simple IC engine geometry with one axed central valve. A discussion on the completeness of the LES simulation (i.e. LES simulation quality) is given.

Résumé

L’implémentation et la combinaison de conditions aux limites avancées et de modèles des échelles inférieures à la maille dans des simulations des grandes échelles (Large Eddy Simulations, LES) sont présentées. Le but est d’effectuer des simulations LES fiables des écoulements froids dans des géométries complexes, comme dans les cylindres des moteurs à combustion interne. L’implémentation de conditions aux limites à l’entrée pour la génération de turbulence synthétique et de deux modèles des échelles inférieures à la maille, le modèle local dynamique de Smagorinsky et le modèle SGS (Sub-Grid Scales) de viscosité WALE (Wall-Adapting Local Eddy), est décrite. Le modèle WALE est basé sur le carré du tenseur du gradient de vitesse. Il prend en compte à la fois les effets de la pression et du taux de rotation des plus petites fluctuations turbulentes détectables et il décrit de manière adéquate l’échelle y³ à proximité des parois de la viscosité turbulente sans nécessiter de pression dynamique. Il est ainsi censé représenter un modèle très fiable pour les simulations ICE. La validation du modèle a été effectuée sur deux bancs laminaires stationnaires : une géométrie à gradin inversé (backward-facing) et une géométrie simple de moteur à combustion interne avec une unique vanne centrale. L’exhaustivité de la simulation LES (i.e. la qualité de la simulation LES) est aussi discutée.