Pseudo-boiling wall-bounded turbulence in supercritical flows: direct numerical simulation & flow physics

Abstract

(English) This thesis presents the development and application of a high-fidelity computational framework for the direct numerical simulation (DNS) of high-pressure transcritical turbulent flows. These flows, characterized by strong thermophysical property variations in the vicinity of the pseudo-boiling region, exhibit complex interactions between turbulence, thermodynamics, and transport processes that cannot be accurately captured using classical modeling approaches. The primary objective of this work is to advance both the numerical simulation tool and the physical understanding required to reliably simulate and analyze such regimes. To this end, the multiphysics flow solver, RHEA (Reproducible Hybrid-architecture flow solver Engineered for Academia), is redesigned into a GPU-resident version, RHEA-X. The solver combines low-dissipation spatial discretizations with strong-stability-preserving Runge–Kutta time integration and advanced thermodynamic and transport models, including real-fluid equations of state. Its modular, object-oriented design enables the treatment of compressible, high-pressure transcritical, particle-laden, and immersed-boundary flows within a unified framework. The implementation leverages MPI and OpenACC to achieve persistent GPU data residency and direct inter-device communication, enabling efficient execution on modern heterogeneous high-performance computing systems. Performance analyses demonstrate near-ideal strong and weak scaling and substantial reductions in time-to-solution relative to CPU-based implementations up to a large GPU count. Using this framework, the thesis first investigates the grid resolution requirements for DNS of high-pressure transcritical wall-bounded turbulence. It is shown that classical resolution criteria, developed for incompressible flows, are insufficient in the presence of strong thermophysical gradients. In particular, the pseudo-boiling region induces localized amplification of turbulence intensity and energy dissipation, requiring refined resolution to accurately capture up to second-order statistics. New resolution guidelines are proposed based on hydrodynamic and thermodynamic scaling arguments. The physical behavior of transcritical flows is then examined in microconfined square-duct configurations spanning subcritical to supercritical regimes. The results reveal that, under transcritical conditions, flows can transition from laminar to turbulence-like states without changes in geometry or bulk velocity scales, driven by strong density gradients associated with the pseudo-boiling region. This leads to significant amplification of velocity fluctuations, intensified secondary motions, and substantial enhancement of heat transfer. Finally, the role of buoyancy is analyzed in transcritical turbulent square-duct flows. It is demonstrated that buoyancy influences the flow primarily through the modulation of secondary motions, which act as the dominant mechanism for redistributing momentum and restructuring turbulence. The case-dependent interaction between buoyancy, thermophysical gradients, and secondary flows leads to strong spatial heterogeneity, non-equilibrium turbulence behavior, and, consequently pronounced variations in wall shear stress and transport processes. (Català) Aquesta tesi presenta el desenvolupament i l’aplicació d’una metodologia computacional d’alta fidelitat per a la simulació numèrica directa (DNS) de fluxos turbulents transcrítics a alta pressió. Aquests fluxos, caracteritzats per variacions intenses de les propietats termofísiques a les proximitats de la regió de pseudoebullició, presenten interaccions complexes entre la turbulència, la termodinàmica i els processos de transport, que no poden ser reproduïdes adequadament mitjançant enfocaments de modelització clàssics. L’objectiu principal d’aquest treball és avançar tant en l’eina de simulació numèrica com en la comprensió física necessària per simular i analitzar de manera fiable aquest tipus de règims. Amb aquest propòsit, el solver multifísic RHEA (Reproducible Hybrid-architecture flow solver Engineered for Academia) es redissenya per donar lloc a una versió resident en GPU, denominada RHEA-X. El solver combina discretitzacions espacials de baixa dissipació amb esquemes temporals de Runge–Kutta amb preservació forta de l’estabilitat, així com models avançats de termodinàmica i transport, incloent-hi equacions d’estat per a fluids reals. El seu disseny modular i orientat a objectes permet tractar, dins d’un marc unificat, fluxos compressibles, transcrítics a alta pressió, carregats amb partícules i amb fronteres immerses. La implementació es basa en MPI i OpenACC per mantenir les dades de manera persistent a la GPU i permetre la comunicació directa entre dispositius, fet que possibilita una execució eficient en sistemes moderns de computació d’altes prestacions amb arquitectures heterogènies. Les anàlisis de rendiment mostren una escalabilitat forta i feble propera a la ideal, així com reduccions substancials del temps de càlcul respecte d’implementacions basades en CPU, fins i tot per a un nombre elevat de GPUs. A partir d’aquesta metodologia computacional, la tesi investiga en primer lloc els requisits de resolució de malla per a la DNS de turbulència transcrítica a alta pressió en fluxos confinats per parets. Es demostra que els criteris clàssics de resolució, desenvolupats per a fluxos incompressibles, resulten insuficients en presència de forts gradients termofísics. En particular, la regió de pseudoebullició indueix una amplificació localitzada de la intensitat turbulenta i de la dissipació d’energia, fet que exigeix una resolució més refinada per capturar amb precisió estadístiques fins a segon ordre. Sobre aquesta base, es proposen noves directrius de resolució fonamentades en arguments d’escalat hidrodinàmic i termodinàmic. A continuació, s’analitza el comportament físic dels fluxos transcrítics en configuracions microconfinades de conducte quadrat, abastant des de règims subcrítics fins a supercrítics. Els resultats mostren que, sota condicions transcrítiques, el flux pot passar d’un estat laminar a un estat amb característiques turbulentes sense modificar la geometria ni les escales globals de velocitat. Aquesta transició és impulsada pels forts gradients de densitat associats a la regió de pseudoebullició, i dona lloc a una amplificació significativa de les fluctuacions de velocitat, a una intensificació dels moviments secundaris i a un augment substancial de la transferència de calor. Finalment, s’estudia el paper de la flotabilitat en fluxos turbulents transcrítics en conductes quadrats. Es demostra que la flotabilitat influeix en el flux principalment mitjançant la modulació dels moviments secundaris, els quals actuen com el mecanisme dominant de redistribució del moment i de reorganització de la turbulència. La interacció, dependent de cada configuració, entre flotabilitat, gradients termofísics i fluxos secundaris genera una marcada heterogeneïtat espacial, un comportament turbulent fora de l’equilibri i, en conseqüència, variacions pronunciades de la tensió tallant a la paret i dels processos de transport. (Español) Esta tesis presenta el desarrollo y la aplicación de un marco computacional de alta fidelidad para la simulación numérica directa (DNS) de flujos turbulentos transcríticos a alta presión. Estos flujos, caracterizados por fuertes variaciones de las propiedades termofísicas en las proximidades de la región de pseudo-ebullición, exhiben interacciones complejas entre la turbulencia, la termodinámica y los procesos de transporte que no pueden capturarse con precisión mediante enfoques clásicos de modelización. El objetivo principal de este trabajo es avanzar tanto en la herramienta de simulación numérica como en la comprensión física necesarias para simular y analizar de forma fiable dichos regímenes. Con este propósito, el solver multifísico de dinámica de fluidos RHEA (Reproducible Hybrid-architecture flow solver Engineered for Academia) es rediseñado en una versión residente en GPU denominada RHEA-X. El solver combina discretizaciones espaciales de baja disipación con integración temporal Runge–Kutta con preservación fuerte de estabilidad y modelos avanzados de termodinámica y transporte, incluyendo ecuaciones de estado para fluidos reales. Su diseño modular y orientado a objetos permite el tratamiento, dentro de un marco unificado, de flujos compresibles, transcríticos a alta presión, con partículas lagrangianas y con métodos de frontera inmersa. La implementación emplea MPI y OpenACC para lograr residencia persistente de datos en GPU y comunicación directa entre dispositivos, permitiendo una ejecución eficiente en sistemas modernos heterogéneos de computación de alto rendimiento. Los análisis de rendimiento demuestran escalabilidad fuerte y débil cercana al comportamiento ideal, así como reducciones sustanciales en el tiempo de simulación respecto a implementaciones basadas en CPU, incluso para un elevado número de GPU. Utilizando este marco computacional, la tesis investiga en primer lugar los requisitos de resolución espacial para DNS de turbulencia transcrítica a alta presión en flujos de pared. Se demuestra que los criterios clásicos de resolución, desarrollados para flujos incompresibles, resultan insuficientes en presencia de fuertes gradientes termofísicos. En particular, la región de pseudo-ebullición induce una amplificación localizada de la intensidad turbulenta y de la disipación de energía, requiriendo un refinamiento adicional de la malla para capturar con precisión estadísticas turbulentas de hasta segundo orden. Se proponen nuevas guías de resolución basadas en argumentos de escalado hidrodinámico y termodinámico. Posteriormente, se examina el comportamiento físico de flujos transcríticos en configuraciones de conductos cuadrados microconfinados que abarcan regímenes subcríticos y supercríticos. Los resultados revela