Application of Data Assimilation Methods in Computational
Fluid Dynamics

Κελλάρης, Κωνσταντίνος; Kellaris, Konstantinos

dc.contributor.author	Κελλάρης, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Kellaris, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2023-01-27T07:12:36Z
dc.date.available	2023-01-27T07:12:36Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56952
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24650
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Υπολογιστική Ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Αφομοίωση Δεδομένων	el
dc.subject	Τυρβώδης Ροή	el
dc.subject	Φίλτρο Kalman	el
dc.subject	OpenFOAM	el
dc.subject	Computational Fluid Dynamics	en
dc.subject	Data Assimilation	en
dc.subject	Turbulent Flow	en
dc.subject	Kalman Filter	en
dc.subject	OpenFOAM	en
dc.title	Application of Data Assimilation Methods in Computational Fluid Dynamics	en
dc.title	Εφαρμογή Μεθόδων Αφομοίωσης Δεδομένων στην Υπολογιστική Ρευστοδυναμική	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Data Assimilation	en
heal.classification	Computational Fluid Dynamics	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-10
heal.abstract	Η Αφομοίωση Δεδομένων (ΑΔ) είναι το επιστημονικό πεδίο που αφορά τον βέλτιστο συνδυασμό δυναμικών μοντέλων και πειραματικών δεδομένων, με στόχο την βελτίωση των αποτελεσμάτων των πρώτων, λαμβάνοντας υπόψη τις αβεβαιότητες και των δύο. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία, η χρήση μεθόδων ΑΔ έγινε για την βελτίωση των αποτελεσμάτων σε προσομοιώσεις Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (ΥΡ), σε δύο διαφορετικές εφαρμογές. Αρχικά, δημιουργήθηκε σε Fortran 95 παράλληλος (μέσω του OpenMP) κώδικας επίλυσης των μη-μόνιμων 1-Δ εξισώσεων Euler για συμπιεστό ρευστό και μελετήθηκε η ροή μέσα σε κρουστικό σωλήνα, ενώ το λογισμικό πιστοποιήθηκε μέσω της αναλυτικής λύσης του προβλήματος. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε η μέθοδος nudging, για την βελτίωση των αριθμητικών αποτελεσμάτων μέσω της αναλυτικής λύσης. Έπειτα, έγινε χρήση της μεθόδου nudging για τον συνδυασμό αριθμητικών λύσεων σε αραιό και πυκνό πλέγμα, οδηγώντας σε σημαντική βελτίωση των αποτελεσμάτων σε σχέση με ακόμη πυκνότερα πλέγματα. Τέλος, το μητρώο κερδών της μεθόδου nudging βελτιστοποιήθηκε ως προς την ελαχιστοποίηση του σφάλματος υπολογισμού για ένα χρονικό διάστημα, επιλύοντας τις συζυγείς μη-μόνιμες 1-Δ εξισώσεις Euler για τον προσδιορισμό των παραγώγων ευαισθησίας. Στο δεύτερο σκέλος, υλοποιήθηκε στο λογισμικό ΥΡ OpenFOAM, μια μέθοδος υπολογισμού πεδίων πίεσης από πεδία ταχύτητας, τα οποία είναι γνωστά από πειράματα μέσω PIV για τη μόνιμη τυρβώδη 2-Δ ροή γύρω από κύλινδρο τετραγωνικής διατομής που βρίσκεται εντός ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος. Η μέθοδος κάνει χρήση του αλγορίθμου SIMPLE για τη διόρθωση των πεδίων πίεσης και ταχύτητας ενώ έγινε σύγκριση της και με την επίλυση μια εξίσωσης Poisson για τα πεδία πίεσης. Αρχικά, έγινε πιστοποίηση της μεθόδου ως προς την ικανότητα υπολογισμού πεδίων πίεσης και συμβατότητας με την εξίσωση συνέχειας. Έπειτα, μελετήθηκε η επίδραση της πύκνωσης του υπολογιστικού πλέγματος. Τέλος, υλοποιήθηκαν διαφορετικές μεθοδολογίες ΑΔ, βασισμένες στη μέθοδο nudging και στη μέθοδο του φίλτρου Kalman. Εξετάστηκαν διαφορετικές διατυπώσεις των μεθόδων και έγινε σύγκριση ως προς την ακρίβεια και βελτίωση που επιφέρουν στις τελικές λυσείς, με τη μέθοδο του φίλτρου Kalman να εμφανίζει την καλύτερη συμπεριφορά.	el
heal.abstract	Data Assimilation (DA) is a mathematical discipline that seeks to optimally combine dynamic models with experimental observations in order to improve the results of the former while accounting for uncertainties in both the model and observation data. In this Diploma Thesis, DA methods were applied to improve the results obtained from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations in two applications. Firstly, a Fortran 95 parallel (using OpenMP) computational code for the solution of the transient 1-D compressible Euler equations was developed, and a Shock Tube flow was investigated. The code was verified using the analytical solution of the problem. Subsequently, the nudging method was implemented to improve the numerical results taking into consideration the analytical solution. The nudging method was then used to combine the numerical solution from a coarse and a fine computational grid, leading to a considerable improvement compared to numerical results from even finer grids. Finally, the nudging gain matrix was optimized to minimize the computational error over a time interval. The adjoint transient 1-D Euler equations were solved to determine the sensitivity derivatives during the optimization loop. In the next part of the Thesis, an iterative method was implemented in the OpenFOAM CFD toolbox to calculate pressure fields using velocity fields provided by PIV measurements. The method was also applied to the steady-state 2-D turbulent flow around a wall-mounted cube inside the atmospheric boundary layer. The method utilizes the SIMPLE algorithm to correct the pressure and velocity fields and was compared with the solution of a Poisson equation for the determination of the pressure fields. Initially, the method’s ability to calculate pressure and velocity fields that obey the continuity equation was verified. Then, the effect of mesh refinement on the results was investigated. Finally, various DA methods were implemented based on nudging and the Kalman filter. Different implementations were analyzed and compared in terms of their accuracy and improvement to the final solutions, with the Kalman filter method prevailing.	en
heal.advisorName	Μπούρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων	el
heal.committeeMemberName	Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Τεχνολογικών Καινοτομιών Προστασίας Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	159 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false