Simulación y análisis de flujos turbulentos en tuberías

Abstract

[ES] Este trabajo se propone un análisis detallado del fenómeno de la turbulencia a partir de diversas simulaciones Direct Numerical Simulation (DNS). El trabajo principalmente involucra dos ramas del conocimiento: la turbulencia de pared, dentro de la mecánica de fluidos y la supercomputación. En primer lugar se hará una descripción del contexto en el que se desarrolla la actividad y del estado de arte e hitos que caracterizan esta investigación a lo largo de su historia, hablando de la turbulencia como fenómeno en sí y de la metodología de estudio de la misma en este caso: las simulaciones DNS. En segundo lugar, se tratará la parte meramente computacional, en la que se tratarán temas como el escalado de los recursos computacionales necesarios según determinadas condiciones de la simulación, problemática con los mencionados recursos computacionales en simulaciones DNS, medidas paliativas ante dicha problemática y, en definitiva, cómo se ha desarrollado un código capaz de simular flujos turbulentos a altos números de Reynolds. Ambas partes se encuentran interrelacionadas, pues el análisis de la turbulencia se hace mientras la simulación se está ejecutando, por lo que las características de este análisis y el postproceso de los datos extraídos de la simulación también serán tratados también en profundidad. Tras toda esta labor, finalmente, se expondrán resultados correspondientes a una simulación de ejemplo llevada a cabo a un número de Reynolds relativamente alto hablando en términos del estado del arte actual. Dichos resultados se compararán con otros existentes como parte de validación del código elaborado.

[EN] This work aims to provide a detailed analysis of the phenomenon of turbulence based on various Direct Numerical Simulation (DNS) simulations. The work primarily involves two branches of knowledge: wall turbulence within fluid mechanics and supercomputing. Firstly, we will provide an overview of the context in which this research is conducted and the state of the art and milestones that characterize this investigation throughout its history. This includes discussing turbulence as a phenomenon itself and the methodology used in this case: DNS simulations.

Secondly, we will delve into the computational aspect, addressing topics such as the scaling of computational resources required under specific simulation conditions, challenges related to these computational resources in DNS simulations, mitigating measures for these challenges, and ultimately, how a code capable of simulating turbulent flows at high Reynolds numbers has been developed.

Both parts are interconnected, as the turbulence analysis occurs while the simulation is running. Therefore, the characteristics of this analysis and the post-processing of data extracted from the simulation will also be discussed in depth. After all this work, we will present results from a sample simulation conducted at a relatively high Reynolds number in terms of the current state of the art. These results will be compared with existing data as part of the code validation process.