Data assimilation in fast fluid dynamics methodologies

Spanou, Despoina Angeliki; Σπανού, Δέσποινα Αγγελική

dc.contributor.author	Spanou, Despoina Angeliki	en
dc.contributor.author	Σπανού, Δέσποινα Αγγελική	el
dc.date.accessioned	2024-05-28T10:28:27Z
dc.date.available	2024-05-28T10:28:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59530
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27226
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Fast Fluid Dynamics	en
dc.subject	Semi-Lagrangian Scheme	en
dc.subject	Data Assimilation	en
dc.subject	Nudging	en
dc.subject	OpenFOAM	en
dc.subject	Ταχεία Υπολογιστική Ρευστομηχανική	el
dc.subject	Ημι-Λαγκρανζιανό Σχήμα	el
dc.subject	Αφομοίωση Δεδομένων	el
dc.title	Data assimilation in fast fluid dynamics methodologies	en
dc.title	Αφομοίωση δεδομένων σε μεθόδους ταχείας υπολογιστικής ρευστομηχανικής	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Computational Fluid Dynamics	en
heal.classification	Υπολογιστική Ρευστοδυναμική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-03-01
heal.abstract	Fast Fluid Dynamics (FFD) is a computational technique designed for efficiently solving the incompressible Navier-Stokes equations. Unlike traditional methods which prioritize absolute accuracy, FFD places a premium on computational speed, making it particularly adept at scenarios where rapid simulations are essential. While it may sacrifice some precision, its strength lies in its ability to provide visually appealing and dynamic fluid behavior in real-time applications. On the other hand, data assimilation is the science of combining different sources of information to predict possible states of a system as it progresses with time. In this context, nudging is a dynamic method employed in various fields, including Computational Fluid Dynamics (CFD), to adjust a model’s state toward observed data by introducing a feedback term. This thesis presents an innovative and computationally efficient method for simulating 2D incompressible flows using FFD on structured grids. To mitigate potential inaccuracies inherent in FFD, a cost-effective nudging method is integrated, which assimilates data from external sources to enhance numerical results and compensate for the solver’s limitations in accurately modeling physical phenomena at a detailed level. The implementation of this approach involved developing a custom C++ solver to deploy the FFD algorithm and nudging technique. Initially, the solver’s efficiency was rigorously evaluated on a benchmark lid-driven cavity flow, showcasing close agreement with established literature. Departing from conventional FFD methods, the solver incorporated a high-order scheme for the semi-Lagrangian method in solving the convection equation, resulting in more accurate simulations. To validate the results and assess the solver’s performance, comparisons were made with similar simulations conducted using OpenFOAM. Additionally, integrating high-resolution data from literature through nudging played a crucial role in significantly improving the solver’s accuracy and the fidelity of the flow. Subsequently, the FFD solver was applied to a street canyon model, where two cost-effective turbulence models were implemented. Despite initial expectations, these models exhibited poor performance, failing to accurately capture real-world fluid dynamics within the urban environment. In response to these shortcomings, the nudging method was once again employed to enhance the model’s accuracy. In this implementation, experimental data obtained from experiments were leveraged to inform and guide the simulation process. By assimilating this empirical data through the nudging technique, the model was effectively adjusted to better reflect the intricacies of the actual flow conditions experienced in street canyons. By synergizing FFD’s efficiency with data assimilation through nudging, this research demonstrates a promising approach for practical fluid flow simulations. It underscores the need to balance accuracy and computational speed, acknowledging the inherent trade-offs therein.	en
heal.abstract	Η μέθοδος Ταχείας Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής είναι μια υπολογιστική τεχνική που έχει σχεδιαστεί για την αποτελεσματική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes για ασυμπίεστα ρευστά. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους που δίνουν προτεραιότητα στην απόλυτη ακρίβεια, η Ταχεία Υπολογιστική Ρευστομηχανική δίνει προτεραιότητα στην υπολογιστική ταχύτητα, καθιστώντας την ιδιαίτερα ικανή σε σενάρια όπου οι γρήγορες προ- σομοιώσεις είναι απαραίτητες. Αν και μπορεί να θυσιάσει κάποια ακρίβεια, η δύναμή της έγκειται στην ικανότητά της να παρέχει οπτικά ελκυστική και δυναμική συμπεριφορά ρευστών σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Η μέθοδος Ταχείας Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής σχεδιάστηκε αρχικά ως εργαλείο για την ενίσχυση της οπτικής πιστότητας της δυναμικής ρευστών σε βιντεοπαιχνίδια, αλλά εξελίχθηκε ώστε να καλύπτει ένα ευρύτερο φάσμα εφαρ- μογών, συμπεριλαμβανομένων των προσομοιώσεων αστικού μικροκλίματος. Από την άλλη πλευρά, η αφομοίωση δεδομένων είναι η επιστήμη του συνδυασμού δι- αφορετικών πηγών πληροφοριών για την πρόβλεψη πιθανών καταστάσεων ενός συστήματος καθώς αυτό εξελίσσεται με το χρόνο. Σε αυτό το πλαίσιο, το nudging είναι μια δυναμική μέθοδος που χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής, για την προσαρμογή της κατάστασης ενός μοντέλου προς τα παρατηρού- μενα δεδομένα μέσω της εισαγωγής ενός όρου ανατροφοδότησης. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει μια καινοτόμο και υπολογιστικά αποδοτική μέθοδο για την προσομοίωση δισδιάστατων ασυμπίεστων ροών με χρήση Ταχείας Υπολογισ- τικής Ρευστομηχανικής σε δομημένα πλέγματα. Για τον μετριασμό των πιθανών ανακριβειών που ενυπάρχουν στην Ταχεία Υπολογιστική Ρευστομηχανική, ενσωματώνεται η μέθοδος nudging, η οποία αφομοιώνει δεδομένα από εξωτερικές πηγές για να βελτιώσει τα αριθμητικά αποτελέσματα και να αντισταθμίσει τους εγγενέις περιορισμούς του επιλύτη στην ακριβή μοντελοποίηση φυσικών φαινομένων σε λεπτομερές επίπεδο. Στα πλασία της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε ένας προσαρμοσμένος επιλύτης σε γλώσσα προγραμματισμού C++ για την υλοποίηση του αλγορίθμου Ταχείας Υπολογισ- τικής Ρευστομηχανικής και της τεχνικής nudging. Αρχικά, η αποδοτικότητα του επιλύτη αξιολογήθηκε σε μια ροή αναφοράς σε μια τετραγωνική κοιλότητα με κινούμενο άνω στερεό όριο, επιβεβαιώνοντας τα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας. Ξεφεύγοντας από τις συμβατικές μεθόδους Ταχείας Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής, ο επιλύτης ενσωμάτωσε ένα σχήμα υψηλής τάξης για την ημι-Λαγκρανζιανή μέθοδο στην επίλυση της εξίσωσης συναγωγής, με αποτέλεσμα να εκτελεί ακριβέστερες προσομοιώσεις. Επιπροσθέτως, η ενσωμάτωση δεδομένων υψηλής ανάλυσης από τη βιβλιογραφία μέσω nudging βελτίωσε σημαντικά την ακρίβεια του επιλύτη και την πιστότητα της ροής. Στη συνέχεια, ο επιλύτης Ταχείας Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής εφαρμόστηκε σε ένα μοντέλο οδικής χαράδρας, όπου εφαρμόστηκαν δύο “φθηνά” μοντέλα τύρβης. Παρά τις αρχικές προσδοκίες, τα μοντέλα αυτά παρουσίασαν κακή απόδοση, αποτυγχάνοντας να απο- τυπώσουν με ακρίβεια τη δυναμική των ρευστών μέσα στο αστικό περιβάλλον. Για το λόγο αυτό, η μέθοδος nudging χρησιμοποιήθηκε και πάλι για να βελτιωθεί η ακρίβεια του μον- τέλου. Σε αυτή την υλοποίηση, πειραματικά δεδομένα από την βιβλιογραφία αξιοποιήθηκαν για την ενημέρωση και την καθοδήγηση της διαδικασίας προσομοίωσης. Με την αφομοίωση αυτών των εμπειρικών δεδομένων μέσω της τεχνικής nudging, το μοντέλο προσαρμόστηκε αποτελεσματικά ώστε να αντικατοπτρίζει καλύτερα τις ιδιαιτερότητες των πραγματικών συν- iii θηκών ροής που επικρατούν στις οδικές χαράδρες. Συνδυάζοντας την αποδοτικότητα της Ταχείας Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής με την αφομοίωση δεδομένων μέσω του nudging, αυτή η έρευνα καταδεικνύει μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για πρακτικές προσομοιώσεις ροής ρευστών. Υπογραμμίζει την ανάγκη εξισορρόπησης της ακρίβειας και της υπολογιστικής ταχύτητας, αναγνωρίζοντας τους εγγενείς συμβιβασμούς.	el
heal.advisorName	Bouris, Demetri	en
heal.advisorName	Μπούρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Voutsinas, Spyridon	en
heal.committeeMemberName	Anagnostopoulos, John	en
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων	el
heal.committeeMemberName	Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	109 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false