Estudio de las estructuras coherentes y su evolución temporal en canales turbulentos

Abstract

[ES] El propósito de este Trabajo Final de Máster es la identificación espacial y el seguimiento temporal de estructuras o vórtices que presentan coherencia y autosemejanza desarrollados en canales turbulentos mediante una simulación DNS. Partiendo de un programa LISO, que realiza la simulación y proporciona información de las variables del campo fluido, se han desarrollado algoritmos en Fortran para la identificación espacial y temporal de los mismos, y su almacenamiento en una gran estructura de datos extraída del programa mediante HDF5. Se han necesitado aplicar herramientas de paralización para poder llevar a cabo el proyecto como OMP y MPI. Los principales resultados analizados se centran en tres aspectos: la energía y esfuerzos de Reynolds presentes en estas estructuras respecto al total que evidencian el interés e importancia de su estudio; la morfología y posición de las mismas dentro del dominio y su volumen; e información respecto a la evolución de la vida de los vórtices mientras están en el canal, su velocidad de advección y su interacción con el resto de estructuras, tanto entre diferentes tipos de estructuras para determinar si hay una unidad coherente mayor que domine la turbulencia, como entre los objetos con la misma definición que se unen o separan formando una cascada de estructuras coherentes. Asimismo, se estudian dos definiciones o criterios distintos que determinan dónde hay una región de vórtices en el dominio. Estas metodologías (que dependen de valores de umbral que han de ser determinados por percolación) definen estructuras que actualmente siguen siendo discutidas: los vortex cluster y los uv clusters (sweeps y ejections), que serán tratadas durante el trabajo.

[EN] The purpose of this Final Master’s Thesis is the spatial identification and temporal tracking of the structures or vortex which present coherence and self-similarity and which are developed in turbulent channels by a DNS simulation. From a LISO program, which runs the simulation and provides information on the variables of the fluid field, Fortran algorithms have been developed for spatial and temporal identification, and the resulting information has been stored in a large data structure (datatypes) extracted from the program using HDF5. It has been necessary to apply parallel tools to be able to carry out the project such as OMP and MPI. The main results were analysed focusing on three aspects: the energy and the Reynolds stress uv present in these structures with respect to the total, what show the interest and the importance of this study; their morphology and position within the domain and their volume; and information regarding the evolution of the vortex timelife while they are in the channel, advection velocities and interactions among vortex, considering different types of structures to determine if there is a larger coherent unit that dominates the turbulence, or considering objects with the same definition joined or separated forming a cascade of coherent structures. Besides we study two different definitions in vortex identification that determine where the vortex regions are within the problem domain. These methodologies (which depend on threshold values calculated by percolation) define structures that are still in discussion: vortex clusters and uv clusters (sweeps and ejections), which will be covered during the job.

[CA] El propòsit d’aquest Treball Final de Màster és la identificació espacial i el seguiment temporal de les estructures o vòrtexs que presenten coherència i autosemblança desenvolupats en canals turbulents mitjançant una simulació DNS. Partint d’un programa LISO, que realitza la simulació i proporciona informació de les variables del camp fluid, s’han desenvolupat algoritmes en Fortran per a la identificació espacial i temporal d’aquests, i el seu emmagatzematge en una gran estructura de dades extreta del programa mitjançant HDF5. S’han necessitat aplicar eines de paralització per a poder dur a terme el projecte com OMP i MPI. Els principals resultats analitzats se centren en tres aspectes: l’energia i esforços de Reynolds presents en aquestes estructures respecte al total que evidencien l’interés i importància del seu estudi; la morfologia i posició de les mateixes dins del domini i el seu volum; i informació respecte a l’evolució de la vida dels vòrtexs mentre estan en el canal, la seua velocitat de advecció i la seua interacció amb la resta d’estructures, tant entre diferents tipus d’estructures per a determinar si hi ha una unitat coherent major que domine la turbulència, com entre els objectes amb la mateixa definició que s’uneixen o separen formant una cascada d’estructures coherents. Així mateix, s’estudien dues definicions o criteris diferents que determinen on hi ha una regió de vòrtexs en el domini. Aquestes metodologies (que depenen de valors de llindar que han de ser determinat per percolació) defineixen estructures que actualment continuen sent discutides: els vortex cluster i els uv clusters (sweeps i ejections), que seran tractades durant el treball.