MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798291567173
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■035    ▼a(MiAaPQ)umichrackham006411
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a623.82
■1001  ▼aPlasseraud,  Marc.
■24510▼aLarge-Eddy  Simulation  of  the  Separated  Flow  Over  a  6:1  Prolate  Spheroid
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Michigan▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a173  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Mahesh,  Krishnan.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Michigan,  2025.
■520    ▼aThe  prolate  spheroid  is  a  canonical  body  of  revolution  that  produces  a  wide  array  of  complex  flow  features  observed  in  vehicular  flows,  including  crossflow,  streamline  curvature,  three-dimensional  separations,  and  coherent  vortical  structures.  An  experimental  campaign  called  HIPRO  plans  to  measure  the  flow  over  a  6:1  prolate  spheroid  at  high  Reynolds  numbers  for  angles  of  incidence  up  to  20◦  .  This  dissertation  performs  high-fidelity  Large-Eddy  Simulation  of  the  spheroid  flow  at  high  Reynolds  numbers  and  non-zero  angles  of  attack,  proposes  novel  analysis  methodologies,  develops  physical  insight,  and  assists  the  design  and  planning  of  the  HIPRO  experiments.Wall-Resolved  Large-Eddy  Simulation  (WRLES)  is  performed  to  simulate  the  flow  around  a  6:1  prolate  spheroid  under  experimental  conditions  for  angles  of  attack  of  10◦  and  20◦  and  Reynolds  number  of  4.2  x  106  .  Experiments  often  employ  a  tripping  device  that  facilitates  the  development  of  a  turbulent  boundary  layer  thereby  improving  repeatability  and  high  Reynolds  number  behavior.  The  use  of  a  trip  is  especially  noteworthy  in  the  case  of  the  spheroid  where  the  state  of  the  boundary  layer  affects  the  location  of  separation,  the  recirculating  flow  and  the  loads.  Flows  with  and  without  trips  are  compared  to  understand  the  relative  effect  of  the  trip  on  the  state  of  the  boundary  layer  and  separation.  A  novelty  of  the  simulations  is  that  for  the  tripped  case,  the  geometry  of  the  trips  (238  cylindrical  posts)  is  resolved  on  the  computational  grid.  This  is  made  possible  by  the  use  of  overset  grids  that  allow  adequate  resolution  of  the  numerous  isolated  roughness  elements.  The  trip  is  found  to  accelerate  transition  to  turbulence  at  10◦  ,  but  does  not  induce  a  fully  developed  turbulent  boundary  layer  at  20◦  .  Instead,  the  influence  of  the  trip  is  localized  and  the  near-wall  flow  converges  towards  a  solution  similar  to  that  of  the  non-tripped  case  upstream  of  separation.  This  result  is  attributed  to  two  distinct  phenomena.  Directly  downstream  of  the  trip,  favorable  pressure  gradient  and  streamline  curvature  effects  suppress  the  disturbance  on  the  windward  side.  Also,  farther  along  the  spheroid,  the  boundary  layer  receives  a  small  fraction  of  the  initial  perturbation  due  to  spanwise  and  wall-normal  streamline  curvatures  inducing  a  secondary  flow  that  advects  the  low-momentum  trip  wake  to  the  leeward  side.  The  locations  of  transition  and  separation  are  insensitive  to  the  presence  of  the  trip.  The  results  underscore  the  difficulty  associated  with  tripping  smooth  bodies  at  angle  of  attack  and  the  importance  of  accounting  for  transition  in  simulations  of  such  flows,  even  on  tripped  geometries.A  novel  method  is  proposed  to  identify  the  boundaries  of  both  transient  and  coherent  vortices.  This  method  is  particularly  suitable  for  the  analysis  of  the  vortices  observed  in  the  spheroid  flow.  It  is  based  on  Crocco's  equation  and  defines  a  vortex  as  a  region  bounded  by  a  closed  isosurface  of  stagnation  pressure.  This  definition  ensures  that  in  the  high  Reynolds  number  limit,  the  vortex  is  a  material  region  that  conserves  circulation  and  produces  zero  net  external  force.  The  method  is  validated  for  a  variety  of  flows  to  demonstrate  its  robustness  and  applicability,  and  is  applied  to  the  spheroid.WRLES  is  performed  to  simulate  the  separated  flow  over  the  spheroid  for  every  combination  of  six  Reynolds  numbers  ranging  from  1.5  x  105  to  4  x  106  and  eight  angles  of  attack  ranging  from  10◦  to  90◦  .  The  objective  is  to  study  the  evolution  of  the  boundary  layer  detachment,  separation  sheet,  formation  of  the  recirculation,  and  their  influence  on  the  loads  as  angle  of  attack  and  Reynolds  numbers  vary.  Three  distinct  flow  topologies  are  identified  that  provide  a  unified  description  of  the  flow  for  all  Reynolds  numbers  and  angles  of  attacks:  proto-vortex,  where  the  separation  sheet  reattaches  without  forming  a  vortical  structure;  3D  vortex,  characterized  by  a  distinct  axisymmetric  rotating  core  transferring  azimuthal  momentum  into  axial  momentum;  and  recirculating  wake  where  a  symmetric  pair  of  shear  layers  bound  a  low  momentum  cavity  in  the  lee  of  the  spheroid.  The  properties  of  these  states  are  not  constant,  but  evolve  along  the  axis  of  the  spheroid  and  are  dictated  by  the  characteristics  of  the  boundary  layer  at  separation.  The  evolution  of  one  state  to  the  next  is  driven  by  an  increase  in  area  of  recirculation  that  is  faster  than  the  increase  in  circulation,  as  a  consequence  of  an  axial  contraction  of  the  flow  in  the  lee  of  the  spheroid.  This  contraction  reduces  the  swirl  and  coherence  of  the  vortical  structure,  leading  to  a  state  change  of  the  recirculation  and  a  decrease  in  suction.  The  flow  topologies  are  shown  to  be  connected  to  the  loads  on  the  spheroid.Wall-Modeled  LES  (WMLES)  and  WRLES  are  used  to  assist  in  the  design  of  the  HIPRO  trips.  The  location  of  the  trip  on  the  spheroid  is  optimized  to  obtain  an  azimuthally  statistically  uniform  fully  developed  turbulent  boundary  layer  across  a  range  of  Reynolds  numbers  and  angles  of  attack,  without  making  the  flow  trip-specific.  Then,  several  trip  geometries  are  considered,  each  introducing  a  different  perturbation  into  the  boundary  layer.  The  location  of  the  injection  ports  of  the  Particle  Image  Velocimetry  (PIV)  system  is  also  studied  using  numerical  simulations  to  ensure  sufficient  particle  density  across  the  laser  sheets  located  downstream  in  the  HIPRO  experiments. 
■590    ▼aSchool  code:  0127.
■650  4▼aNaval  engineering
■650  4▼aAerospace  engineering
■650  4▼aMechanical  engineering
■650  4▼aApplied  physics
■653    ▼aProlate  spheroid  
■653    ▼aReynolds  numbers
■653    ▼aWall-Resolved  Large-Eddy  Simulation
■653    ▼aPressure  gradient  
■653    ▼aBoundary  layer  
■690    ▼a0538
■690    ▼a0548
■690    ▼a0468
■690    ▼a0215
■71020▼aUniversity  of  Michigan▼bNaval  Architecture  &  Marine  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-03B.
■790    ▼a0127
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17359880▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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