Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Using adaptive mesh refinement to simulate turbulent wings at high Reynolds numbers
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics. (Linné flow centre)ORCID iD: 0000-0002-1724-0188
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics.ORCID iD: 0000-0002-7448-3290
Show others and affiliations
2019 (English)Conference paper, Published paper (Refereed)
Abstract [en]

The implementation of adaptive mesh refinement (AMR) in Nek5000 is used for the first time on the simulation of the flow over wings. This is done by simulating the flow over a NACA4412 profile with 5 degrees angle of attack at chord-based Reynolds number 200,000. The mesh is progressively refined by means of AMR which allows for high resolution near the wall whereas significantly larger elements are used in the far-field. The resultant mesh shows higher resolution than previous conformal meshes, and it allows for larger computational domains,which avoid the use of RANS to determine the boundary condition, all of this with, approximately, 3 times lower total number of grid points. The results ofthe turbulence statistics show a good agreement with the ones obtained with the conformal mesh. Finally, using AMR on wings leads to simulations at higher Reynolds numbers (i.e. Rec = 850, 000) in order to analyse the effect of adverse pressure gradients at high Reynolds numbers.

Place, publisher, year, edition, pages
2019.
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-251637OAI: oai:DiVA.org:kth-251637DiVA, id: diva2:1316167
Conference
TSFP11 conference, July 30 - August 2, 2019, Southampton, United Kingdom
Note

QC 20190521

Available from: 2019-05-16 Created: 2019-05-16 Last updated: 2019-05-21Bibliographically approved
In thesis
1. Aspects of adaptive mesh refinement in the spectral element method
Open this publication in new window or tab >>Aspects of adaptive mesh refinement in the spectral element method
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

This thesis deals with the improvement of the efficiency of numerical simulations in computational fluid dynamics. Some of the limitations of current algorithms on future exascale supercomputers are addressed with the main goal of using adaptive mesh refinement for the simulation of turbulent and three-dimensional flows. The comparison between two different error estimators is also investigated.The framework considered all throughout this thesis is Nek5000, a highly parallel code based on the spectral element method.

First, the strong parallel scaling of Nek5000 is studied on three petascale machines in order to assess the scalability of the code and identify the current bottlenecks. It is found that the strong scaling limit ranges between 5,000 and 220,000 gridpoints per core depending on the machine and the case. The need for synchronized and low latency communication for fast computations is confirmed. It is also shown that, on a single core, Nek5000 is memory limited rather than compute limited.

Then, a new method for the coarse grid part of the preconditioner for the pressure equation is implemented, which represents a significant improvement compared to existing solvers. We use an algebraic multigrid method from the Hypre library to perform the setup and solver parts on the fly and fully in parallel. The setup phase only amounts to a few percents of the wall clocktime for a single timestep of the solver and is therefore negligible; this is a requirement for adaptive simulations, where the setup must be performed after each adaptation. In addition, the new solver is shown to be suitable for large and complex simulations in three dimensions.

Finally, the main objective of this work is to perform simulations with adaptive mesh refinement to achieve error control and efficient use of computational resources. We develop adjoint error estimators based on the dual-weighted residuals method and also consider more traditional a posteriori error indicators for comparison. Adaptive simulations are performed on test cases of increasing complexity: the steady flow in a lid-driven cavity in 2D and 3D, the steady flow past a 2D cylinder and the turbulent flow inside a constricted periodic channel in 3D. It is concluded that adjoint error estimators are preferred for flows with a strongly convective nature, while the more straightforward spectral error indicators are sufficient otherwise. Moreover, we perform an adaptive simulation of the turbulent flow past a NACA4412 profile at Reynolds number Re = 850,000, using the spectral error indicators. In comparison to cases with a fixed mesh, the aspect ratio of grid elements in the far field remains low, the convergence of the pressure solver is significantly sped up and the much larger computational domain allows true free-stream boundary conditions and thus makes the results less dependent on the boundary conditions.

Abstract [sv]

Den här avhandlingen syftar till att utveckla metoder för att öka effektiviteten av strömningsmekaniska simuleringar. Arbetet visar också vissa begränsningarna hos nuvarande algoritmer om de ska användas på framtida superdatorer i exaskala. Adaptiv nätförfining används i den här avhandlingen för att simulera tredimensionella turbulenta strömningar. Dessutom jämförs två stycken olika metoder för att uppskatta felet av lösningen till Navier–Stokes ekvationer. Hela arbetet baseras på koden Nek5000, som använder den spektrala elementmetoden. Inledningsvis undersöker vi den starka parallela skalbarheten av Nek5000 på tre superdatorer i petaskala för att bedöma kodens skalbarhet och identifiera befintliga flaskhalsar. Det visas att den starka skalningen per kärna för koden är begränsad till mellan 5, 000 och 220, 000 frihetsgrader, beroende på superdator och fall. Det är även bekräftat att synkroniserad kommunikation medliten fördröjning är nödvändigt för att uppnå effektiva strömningsmekaniska simuleringar. Nek5000 är minnesbegränsat på en enskild kärna. Sedan implementeras en ny metod som förbättrar förkonditioneringen av tryckequationen på den grova delen av nätet. Vi använder en algebraisk flernätsmetod från Hypre för att automatiskt sätta upp lösningsmatriserna och lösa algoritmen på parallella datasystemer. Tiden som krävs för att initiera ett tidsteg är försumbar jämfört med beräkningstiden; det här är ett krav för adatiptiva simuleringar som behöver initiera efter varje adaption av nätet.Dessutom bekräftas det att den nya lösaren är lämplig för att simulera stora och komplexa tredimensionella strömningsproblem.

Huvudsyftet med arbetet att utföra simuleringar med adaptiva nätförfiningar för att kunna kontrollera felet på lösningen och att effektivt använda beräkningsresurser. Vi utvecklar adjunkta feluppskattningar baserat på dubbelviktade residualmetoden och jämför också med traditionella metoder som uppskattar felet av lösningen i efterhand (eng. spectral error indicators). Adaptiva nätförfiningssimuleringar genomförs på testfall som blir mer och mer komplexa: en stationär strömning i en kavitet med en rörlig rand (eng. lid-driven cavity) både två- och tredimensionellt, stationärt flöde kring en tvådimensionell cylinder och turbulent tredimensionell kanalströmningen i en periodisk domän.Slutsatsen är att adjunkta feluppskattningar föredras för flöden där konvektion dominerar, medan traditionella metoder för att uppskatta felet är tillräckligt bra för alla andra fall. Vi genomför även en adaptiv simulering av det turbulenta flödet över en NACA4412 vingprofil vid ett Reynoldstal Re = 850, 000, där vi använder traditionella metoder för att uppskatta felet. Resultaten från simuleringen har jämförts med simuleringar på ett nät utan adaptiv förfining, slutsatsen är en snabbare konvergens för att lösa ekvationen för trycket och att resultaten blir mindre beroende av randvillkoren på grund av en större domän,som tillåter korrekta friströmsrandvillkor.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2019. p. 206
Series
TRITA-MEK, ISSN 0348-467X ; 2019:28
Keywords
Error estimators, mesh refinement, adaptivity, spectral element method, algebraic multigrid method, NACA4412, periodic hill case.
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-251638 (URN)978-91-7873-223-4 (ISBN)
Public defence
2019-06-12, F3, Kungliga Tekniska Högskolan, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC20190517

Available from: 2019-05-16 Created: 2019-05-16 Last updated: 2019-05-17Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records BETA

Peplinski, AdamVinuesa, Ricardo

Search in DiVA

By author/editor
Offermans, NicolasPeplinski, AdamVinuesa, RicardoSchlatter, Philipp
By organisation
MechanicsLinné Flow Center, FLOW
Fluid Mechanics and Acoustics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 87 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf