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Text File  |  1992-12-01  |  3KB  |  91 lines
  1.  
  2. HIGH RESOLUTION 
  3. SIMULATIONS OF TUR-
  4. BULENT FLOWS
  5.  
  6. Turbulence, "the last great unsolved 
  7. problem of classical physics" (Feyn-
  8. man), has been under extensive investi-
  9. gation for over 100 years since 
  10. Reynolds studied the transition from 
  11. laminar to turbulent flows in 1893. The 
  12. major difficulties that arise in the statis-
  13. tical theory of turbulence are caused by 
  14. the strongly dissipative character of the 
  15. dynamical system and the nonlinearity 
  16. of the equation of motion. During the 
  17. last two decades, direct numerical sim-
  18. ulation has played an important role in 
  19. our understanding of structures and 
  20. statistical properties of turbulent fluid 
  21. flows.
  22.  
  23. The main limitation encountered in 
  24. previous simulations has been the 
  25. restricted computational memory and 
  26. computational speed, dictating limited 
  27. spatial resolution. The large memory 
  28. and high computational speed on the 
  29. CM-200 allows, for the first time, the 
  30. implementation of turbulent simula-
  31. tions on a spatial grid of 5123. Taylor 
  32. microscopic Reynolds numbers  
  33. can be resolved. 
  34.  
  35. Using this new computational power, 
  36. the built-in parallel computational 
  37. method, and the accompanying 3D 
  38. visualization capability, we have stud-
  39. ied spatial structures and statistical 
  40. properties of isotropic turbulence. The 
  41. computational speed of the present 
  42. code on the CM-200 is about three 
  43. times faster than that of the CRAY-2 
  44. simulations using four processors.
  45.  
  46. In other studies, we have seen that the 
  47. probability distribution function of 
  48. pressure is very skewed, meaning that 
  49. most of the 3D space has below-aver-
  50. age pressure. In contrast, the pressure 
  51. head, defined as the summation of 
  52. pressure and velocity magnitude, has a 
  53. symmetric distribution function. More-
  54. over, it appears that the Bernoulli law 
  55. (pressure head = constant) for inviscid 
  56. fluid flows is approximately correct for 
  57. high Reynolds number turbulent flows. 
  58. High vorticity regions are strongly cor-
  59. related with high velocity regions 
  60. because of spin-up. Therefore, the Ber-
  61. noulli law leads to low pressure in the 
  62. high vorticity regions.
  63.  
  64. In the movie sequences, we present iso-
  65. pressure contours from a pseudo-spec-
  66. tral simulation of the 3D Navier-
  67. Stokes equations. The system size is 
  68. 5123 and . The red, blue, and 
  69. green colors represent pressure con-
  70. tours of 50% above average, 5% above 
  71. average and 30% below average, 
  72. respectively. The low-pressure region 
  73. forms worm-like structures, while the 
  74. high-pressure region is randomly ori-
  75. ented. In other visualizations, we 
  76. observe that the spatial structure of 
  77. the pressure field is strongly corre-
  78. lated with the vorticity field. The 
  79. shape of the high-vorticity region is 
  80. substantially the same as the low-
  81. pressure field. In this connection, it 
  82. can be noted that the pressure satisfies 
  83. a Poisson equation, and the vorticity 
  84. contributes to the source term in this 
  85. equation.
  86.  
  87. Acknowledgement: Shi-yi Chen, LANL, T13
  88.  
  89.  
  90.  
  91.