Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7158

A model for the turbulent diffusion of turbulent kinetic energy in natural convection

Laltu Chandra

Abstract
The widely used standard Reynolds Averaged Navier-Stokes models, e.g. 1-equation or 2-equation models, use the transport equation for the turbulent kinetic energy. They are known to be problematic in describing thermally stratified flow. In the transport equation for the turbulent kinetic energy the turbulent diffusion term is modeled with the gradient-diffusion approximation which is inadequate in internally heated fluid layers and Rayleigh-Bénard convection. These flow types are explained by means of direct numerical simulation (DNS) data. The data also include a new simulation of internally heated fluid layers with Rayleigh number Ra = 109 and Prandtl number Pr = 7.0. This simulation is performed using the TURBIT code.

One of the possible deficiencies in the gradient-diffusion model for the turbulent diffusion of the turbulent kinetic energy is discussed using the direct numerical simulation data. Based on this study and the investigations in meteorology, extended forms of the gradient diffusion model for the turbulent diffusion are derived. For this deduction, the different closure terms in the turbulent diffusion, namely the velocity-fluctuation triple correlation and the velocity-pressure fluctuation correlation, are modeled separately. Coupling of these models results in a Reynolds Averaged Navier Stokes model for the turbulent diffusion. In this model a variable Daly and Harlow model for the buoyancy contribution, i.e. the turbulent convection of the heat flux, is used to derive an extended Reynolds Averaged Navier Stokes model 1 for the turbulent diffusion. Based on an analysis of the transport equation for the buoyancy contribution a Daly and Harlow extended model for this term is obtained. Incorporating this extension in the model for the turbulent diffusion gives an extended Reynolds Averaged Navier Stokes model 2 for the turbulent diffusion.

The modified or new models for the closure terms in the turbulent diffusion are validated using the direct numerical simulation data of internally heated fluid layers and Rayleigh-Bénard convection. The Daly and Harlow extended model for the buoyancy contribution is also tested on both flow types.

Also, the extended models 1 and 2 for the turbulent diffusion are analyzed and validated using the direct numerical simulation data of internally heated fluid layers. Their performance is also tested in Rayleigh-Bénard convection. The model 1 shows an acceptable improvement in comparison to the gradient-diffusion model for the turbulent diffusion in internally heated fluid layers. In Rayleigh-Bénard convection a small improvement is observed. The model 2 gives a slight improvement over model 1 in certain height points in these flow types. The resulting 3-equation model should lead to more accurate calculations for buoyant convection in fluid layers involving both stable and unstable stratification.

Ein Modell für die turbulente Diffusion der turbulenten kinetischen Energie bei natürlicher Konvektion

Zusammenfassung
Reynolds gemittelte Navier-Stokes Standardmodelle, z.B. die Ein- oder Zwei-Gleichungsmodelle, benutzen die Transportgleichung für die turbulente kinetische Energie. Diese Modelle sind bei der Beschreibung von thermisch geschichteter Strömung problematisch. In dieser Transportgleichung wird der turbulente Diffusionsterm mit der Gradienten-Diffusionsapproximation modelliert. Diese Approximation ist für intern beheizte Fluidschichten und für Rayleigh-Bénard Konvektion ungeeignet. Statistische Daten der Turbulenz in beiden Strömungstypen werden an Ergebnissen aus Direkten Numerischen Simulationen analysiert. Diese Daten beinhalten eine neue Simulation einer intern beheizten Fluidschicht mit einer Rayleigh Zahl von Ra = 109 und einer Prandtl Zahl von Pr = 7.0. Die Simulation wurde mit dem Rechenprogramm TURBIT durchgeführt.

Ein möglicher Nachteil des Gradienten-Diffusionsmodells für die turbulente Diffusion der turbulenten kinetischen Energie wird mit Hilfe von Daten aus Direkten Numerischen Simulationen diskutiert. Basierend auf dieser Studie und Untersuchungen in der Meteorologie werden erweiterte Formen des  Gradienten-Diffusionsmodells abgeleitet. Für die Herleitung werden die Schließungsterme der turbulenten Diffusion, nämlich die Geschwindigkeitsfluktuations-Tripelkorrelation und die Geschwindigkeits-Druck-Fluktuationskorrelation separat modelliert. Aus der Kopplung beider Modelle resultiert ein Modell für die turbulente Diffusion. In diesem wird ein variables Daly und Harlow Modell für die Auftriebseffekte, d.h. für die turbulente Konvektion des Wärmetransportes, zur Herleitung eines erweiterten Reynolds gemittelten Navier-Stokes Modells 1 für die turbulente Diffusion benutzt. Basierend auf der Analyse der Transportgleichung für den Auftriebsterm erhält man ein erweitertes Daly und Harlow Modell. Fügt man diese Erweiterung in das Modell für die turbulente Diffusion ein, so ergibt sich ein erweitertes Reynolds gemitteltes Navier-Stokes Modell 2.

Die modifizierten oder neuen Modelle für die Schließungsterme in der turbulenten Diffusion werden validiert mit Daten aus Direkten Numerischen Simulationen der intern beheizten Fluidschicht und der Rayleigh-Bénard Konvektion. Das erweiterte Daly und Harlow Modell für den Auftriebseffekt wird für beide Strömungstypen validiert.

Ebenso werden die Modelle 1 und 2 für die turbulente Diffusion analysiert und an Daten aus Direkten Numerischen Simulationen der intern beheizten Fluidschicht validiert. Das Verhalten wird auch für die Rayleigh-Bénard Konvektion untersucht. Das Modell 1 zeigt eine akzeptable Verbesserung im Vergleich zum Gradienten-Diffusionsmodell für die turbulente Diffusion in der intern beheizten Fluidschicht. Für die Rayleigh-Bénard Konvektion erhält man eine kleine Verbesserung. Das Modell 2 hat eine geringe Verbesserung gegenüber Modell 1 im Bereich einiger Extremwerte bei beiden Strömungstypen. Das resultierende 3-Gleichungsmodell sollte bei praktischen Anwendungen zu genaueren Berechnungen für natürliche Konvektion in horizontalen Fluidschichten mit stabiler und instabiler Schichtung führen.



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