Visualización de estructuras en flujos turbulentos

Abstract

[ES] En este trabajo se ha desarrollado un algoritmo programado en MATLAB que permite la identificación de estructuras turbulentas, su evolución y continuidad en el tiempo a través de datos obtenidos mediante simulaciones numéricas directas. Se parte de los datos obtenidos en una simulación y un algoritmo de post-proceso que permite agrupar puntos del flujo que forman vórtices. A partir de estos datos para distintos pasos temporales discretos se identifica a cada una de las estructuras. De esta manera, se permite seguir a cada una de ellas a lo largo del tiempo, conectando los pasos temporales. Se pueden obtener datos muy relevantes de la evolución de estructuras turbulentas, como el movimiento de su centro de masas, la evolución de su volumen, los instantes en los que nace y muere y su cuadrante de velocidades. Estos datos, aplicables a cualquier simulación DNS en la que conozcamos la malla y el campo de velocidades, quedan grabados en una base de datos en formato estándar hdf5. Además se han implementados diferentes algoritmos para la representación gráfica de parámetros relevantes. Estas representaciones son funciones de densidad de probabilidad de la vida media y volumen de las estructuras turbulentas, y una representación gráfica esquemática de la evolución de los centros de masas, tanto en 2D como en 3D. El algoritmo también permite resaltar cada vórtice en función de su cuadrante de velocidades y de su tamaño. Por último se ha generado una representación en 3 dimensiones de todo el campo turbulento permitiendo ver de una manera muy gráfica la evolución temporal del flujo, resaltando también con diferentes colores en función del cuadrante de velocidades. Además, esto permite seleccionar un vórtice que resulte de interés por diferentes parámetros y resaltarlo para analizar su comportamiento dentro del flujo. A partir de dicha representación se ha podido construir un vídeo que permite visualizar dicha evolución. Se ha utilizado este algoritmo para el análisis, primeramente de un flujo de tipo Poiseulle a bajo número de Reynolds y a continuación se ha comprobado con éxito la viabilidad del uso de dicho código en simulaciones de muy alto coste computacional.

[EN] This work has consisted in the development of algorithm programmed in MATLAB, which allows to the identification of turbulent structures. It studies their evolution and continuity throughout data obtained by direct numerical simulations. Beginning with data collected in a simulation and a post-process algorithm which already lets us to group individual points of the flux being part of a vortex. From this data for different discrete temporal steps, each structure is identified. In this way, we can follow each of them through the time, by connecting the structure in different temporal steps. Several interesting data related to eddies evolution can be obtained, such as the movement of mass centre, volume evolution, steps where the vortex is generated and dies and its velocity quadrant. This data can be applied to any DNS simulation where we know the mesh and velocity field. Data is saved in standard hdf5 format database. As well, representation algorithms in order to graphically display important parameters have been developed. These are Probability density functions of life span and volume of vortices and schematic evolution in both 2D and 3D of mass centre position, allowing to differentiate vortices in function of their size and velocity quadrant. Lastly, it has been generated a representation of the whole turbulent field, this lets us watch the evolution in a very clarifying way. We can represent, as well, each eddy in different colours according to its velocity quadrant, and we can select an individual vortex in order to highlight it. Videos of the evolution have been done from this representations. This algorithm has been used initially to study a low-Reynolds number Poiseulle turbulent flow and then it has been tested successfully with studies requiring very large computational resources.