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Physically constrained eigenspace perturbation for turbulence model uncertainty estimation

Matha, Marcel und Morsbach, Christian (2024) Physically constrained eigenspace perturbation for turbulence model uncertainty estimation. Physics of Fluids, 36 (2), 025153. American Institute of Physics (AIP). doi: 10.1063/5.0185841. ISSN 1070-6631.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Offizielle URL: https://pubs.aip.org/aip/pof/article/36/2/025153/3267202

Kurzfassung

Aerospace design is increasingly incorporating design under uncertainty-based approaches to lead to more robust and reliable optimal designs. These approaches require dependable estimates of uncertainty in simulations for their success. The key contributor of predictive uncertainty in computational fluid dynamics (CFD) simulations of turbulent flows are the structural limitations of Reynolds-averaged Navier–Stokes models, termed model-form uncertainty. Currently, the common procedure to estimate turbulence model-form uncertainty is the eigenspace perturbation framework (EPF), involving perturbations to the modeled Reynolds stress tensor within physical limits. The EPF has been applied with success in design and analysis tasks in numerous prior works from the industry and academia. Owing to its rapid success and adoption in several commercial and open-source CFD solvers, in-depth verification and validation of the EPF is critical. In this work, we show that under certain conditions, the perturbations in the EPF can lead to Reynolds stress dynamics that are not physically realizable. This analysis enables us to propose a set of necessary physics-based constraints, leading to a realizable EPF. We apply this constrained procedure to the illustrative test case of a converging-diverging channel, and we demonstrate that these constraints limit physically implausible dynamics of the Reynolds stress tensor, while enhancing the accuracy and stability of the uncertainty estimation procedure.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/203002/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Physically constrained eigenspace perturbation for turbulence model uncertainty estimation
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Matha, Marcelmarcel.matha (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8101-7303NICHT SPEZIFIZIERT
Morsbach, ChristianChristian.Morsbach (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6254-6979NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:23 Februar 2024
Erschienen in:Physics of Fluids
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:36
DOI:10.1063/5.0185841
Seitenbereich:025153
Verlag:American Institute of Physics (AIP)
ISSN:1070-6631
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Uncertainy Quantification, Turbulence modeling, RANS, Reynolds stress tensor
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Umweltschonender Antrieb
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L CP - Umweltschonender Antrieb
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Virtuelles Triebwerk
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Antriebstechnik > Numerische Methoden
Hinterlegt von: Matha, Marcel
Hinterlegt am:04 Mär 2024 08:07
Letzte Änderung:04 Mär 2024 08:07

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