Автореферат (Анализ и оценка эффективности методов, обеспечивающих ускорение перехода к численно разрешаемой турбулентности при использовании незонных гибридных подходов к расчету турбулентных течений)

На правах рукописиГусева Екатерина КонстантиновнаАНАЛИЗ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ,ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ УСКОРЕНИЕ ПЕРЕХОДА К ЧИСЛЕННОРАЗРЕШАЕМОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИНЕЗОННЫХ ГИБРИДНЫХ ПОДХОДОВ К РАСЧЕТУ ТУРБУЛЕНТНЫХТЕЧЕНИЙСпециальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 20172Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшегопрофессиональногообразования“Санкт-Петербургскийгосударственныйполитехнический университет Петра Великого”.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук, доцент Гарбарук Андрей ВикторовичОфициальные оппоненты:Емельянов Владислав Николаевич, доктор технических наук, профессор,заведующийкафедройплазмогазодинамикиитеплотехникиБалтийскогогосударственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им.

Д.Ф. УстиноваДенисихина Дарья Михайловна, кандидат физико-математических наук, доценткафедры теплогазоснабжения и вентиляции Санкт-Петербургского государственногоархитектурно-строительного университетаВедущая организация:Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательскийцентр Институт прикладной математики им.

М.В. Келдыша Российской академиинаук"Защитасостоитсядиссертационного22советафевраляД2018212.232.30г.вна___базечасовназаседанииСанкт-Петербургскогогосударственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, СтарыйПетергоф, Университетский пр., д.28, математико-механический факультет, ауд. 405С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М. ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, СанктПетербург,Университетскаянаб.,7/9инасайтеhttps://disser.spbu.ru/files/disser2/disser/Kc3tLVBdYt.pdf.Автореферат разослан «» декабря 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советаЕ.В. Кустова3Общая характеристика работыАктуальность работыРасчеттурбулентныхтеченийявляетсяоднойизважнейшихзадачвычислительной гидродинамики, поскольку именно турбулентная форма движениягазов и жидкостей чаще всего реализуется в природе и в различных техническихустройствах. В настоящее время, как и на протяжении многих последнихдесятилетий, доминирующим подходом к решению этой чрезвычайно сложной задачиостается подход, базирующийся на решении осредненных по Рейнольдсу уравненийНавье-Стокса (Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS), замкнутых с помощью тойили иной полуэмпирической модели турбулентности.

Однако этот подход имеетпринципиальные ограничения, связанные с его полуэмпирической природой, чтоделает невозможным построение универсальной полуэмпирической модели. В связис этим, а также благодаря быстрому росту производительности вычислительнойтехники, в последние десятилетия все большее практическое применение находят такназываемыевихре-разрешающиеметодымоделированиятурбулентности,в частности, метод моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation, LES) и,в особенности, гибридные RANS-LES методы, сочетающие в себе сильные стороныRANS и LES.

Разработке и усовершенствованию гибридных методов посвященобольшое количество исследований, в результате которых в этом направлении былдостигнут значительный прогресс, но, тем не менее, все существующие методыобладают теми или иными недостатками. В частности, серьезным недостаткомнаиболее продвинутых относительно экономичных и простых в реализации незонныхRANS-LES подходов является задержка перехода от полностью моделируемойтурбулентности в присоединенных к обтекаемой поверхности областях, описываемыхс помощью RANS, к разрешенной турбулентности в оторвавшихся слоях смешения,описываемых в рамках LES (в дальнейшем – «задержка RANS-LES перехода»).Данный недостаток приводит к значительным, а для ряда течений - к недопустимобольшим погрешностям определения основных характеристик потока и, таким4образом, существенно ограничивает возможности практического использованиянезонных гибридных RANS-LES подходов.В результате усилий, направленных на решение этой проблемы, был предложенряд методов, позволяющих в той или иной степени ускорить RANS-LES переход.Однако сведения о сравнительной эффективности этих методов, по существу,отсутствуют.

Это связано с тем, что авторы методов, как правило, ограничиваютсядемонстрацией их возможностей на примере расчета одного-двух течений, что,очевидно, не обеспечивает возможности их всесторонней оценки. Кроме того, припроведении тестовых расчетов в разных работах используются различные численныеметоды, что, как известно, может ощутимо сказываться на результатах и,следовательно,затрудняетобъективнуюоценкудостоинствинедостатковпредлагаемых путей сокращения размеров «серой области», как таковых.

Такимобразом, в настоящее время сведения об относительной эффективности известныхметодов решения данной проблемы являются весьма фрагментарными, что крайнезатрудняет выбор того или иного из них при расчете турбулентных течений в рамкахнезонных гибридных RANS-LES подходов. Именно это обстоятельство делаетнастоящую работу весьма актуальной и определяет ее цель и конкретные задачи.Цель работыЦелью настоящей работы является анализ предложенных в последние годыметодовускоренияформированияразрешенныхтурбулентныхструктурв оторвавшихся от обтекаемой поверхности слоях смешения в рамках незонныхгибридных RANS-LES подходов к моделированию турбулентности и объективнаяоценка сравнительной эффективности наиболее перспективных из этих методов.Конкретные задачи, которые необходимо решить для достижения этой цели,состоят в следующем.1.

Проведение аналитического обзора существующих методов ускоренияRANS-LESпереходавоторвавшихсяслояхсмешенияивыборперспективных из них для дальнейшего систематического исследования.наиболее52. Формирование «матрицы» тестовых течений, позволяющей провестивсестороннее исследование эффективности выбранных методов, и математическаяпостановка соответствующих задач вычислительной гидродинамики.3. Разработка «гибридной» численной схемы для расчета турбулентныхтечений в рамках незонных RANS-LES подходов, автоматически обеспечивающейустойчивость вычислительного алгоритма в RANS и низкую диссипативность в LESподобластях расчетной области и пригодную для расчета всех тестовых течений.4. ПрограммнаяреализациявыбранныхметодовускоренияRANS-LESперехода и разработанной гибридной схемы на базе CFD кода NTS1.5. Численноерешениесформулированныхзадач,анализполученныхрезультатов и оценка достоинств и недостатков рассматриваемых методов ускоренияRANS-LESпереходанаосновесравнениясоответствующихрезультатовс экспериментальными данными.Научная новизна работыНаучная новизна работы состоит в следующем.1.

Разработана методическая основа для объективной всесторонней оценкиэффективности различных путей решения проблемы «серой области» (ускоренияRANS-LES перехода в оторвавшихся слоях смешения) в рамках незонных гибридныхмоделей турбулентности. В частности:сформирована представительная «матрица» тестовых течений, позволяющихпровести такую оценку;разработанановаягибриднаясхемааппроксимацииневязкихпотоковв исходных уравнениях переноса, обеспечивающая устойчивость алгоритмаи высокую степень разрешения турбулентных структур при расчете какприсоединенных, так и отрывных течений.1Shur M.L., Strelets M.K., Travin A.K. High-Order Implicit Multi-Block Navier-Stokes Code: Ten-YearExperienceofApplicationtoRANS/DES/LES/DNShttps://cfd.spbstu.ru//agarbaruk/doc/NTS_code.pdfofTurbulence[Электронныйресурс]//62.

Получены новые результаты, объективно и всесторонне характеризующиеэффективность двух перспективных методов, обеспечивающих ускорение RANS-LESперехода в оторвавшихся от обтекаемой поверхности слоях смешения припроведениирасчетовврамкахнезонныхгибридныхRANS-LESмоделейтурбулентности. Первый из них базируется на использовании адаптированногок слоям смешения подсеточного масштаба турбулентности (Shur, 2015)2, а второйпредставляет собой оригинальную модификацию метода (Mockett, 2015)3, основанногона использовании в LES области альтернативной подсеточной версии базовой RANSмодели турбулентности, учитывающей квази-двумерный характер течения наначальном участке оторвавшегося слоя смешения.Достоверность полученных результатовВсе расчеты, проведенные в рамках настоящей работы, были выполненыс использованием разрабатываемого в лаборатории аэроакустики и турбулентностиСПбПУ кода NTS, который рассматривается в настоящее время как один из наиболеенадежных кодов для расчета турбулентных течений.

Эта оценка базируется насопоставлении результатов, полученных с его помощью, с результатами расчетов,выполненных с использованием различных коммерческих и академических кодов длярасчета задач гидродинамики.Кроме того, достоверность выводов диссертации гарантируется детальнымфизическим анализом результатов расчетов, на которых они основаны, с однойстороны,исравнениемэтихрезультатовс экспериментальнымиданнымии результатами численного моделирования, известными из литературы, с другой.2Shur M.L. и др.

An Enhanced Version of des with Rapid Transition from RANS to les in Separated Flows //Flow, Turbul. Combust. 2015. Т. 95, № 4. С. 709–7373Mockett C. и др. Two non-zonal approaches to accelerate RANS to LES transition of free shear layers inDES // Notes Numer. Fluid Mech.

Multidiscip. Des. 2015. Т. 130. С. 187–2017Практическая ценность работыПрактическая ценность работы заключается, прежде всего, в определениинаиболее эффективных методов ускорения процесса формирования разрешенныхтрехмерных структур в слоях смешения, оторвавшихся от обтекаемой поверхности:их использование позволит значительно повысить точность расчетов отрывныхтечений в рамках незонных гибридных подходов и снизить необходимые для этоговычислительные затраты.Отметимрезультатовтакже,работычтопрактическаяценностьнеограничиваетсянекоторыхрамкамитемыметодическихдиссертации.Так, предложенная матрица тестов для оценки различных путей решения проблемысерой области может использоваться в других исследованиях, посвященныхвалидации различных методов моделирования турбулентности. То же относитсяи к гибридной схеме аппроксимации невязких потоков и к новой SST σ-DDESгибридной модели, которые могут применяться для расчета широкого кругатурбулентных течений.Результаты и положения, выносимые на защиту«Матрица» тестовых течений, позволяющая провести всестороннюю оценкуэффективности методов ускорения перехода к численно разрешаемым турбулентнымструктурам в оторвавшихся слоях смешения.Новая незонная гибридная RANS-LES модель SST σ-DDES, обеспечивающаязначительноеускорениеформированияразрешаемыхтурбулентныхструктурв оторвавшихся слоях смешения.Новая гибридная численная схема для незонных гибридных RANS-LESподходов,обеспечивающаяустойчивостьинизкуюдиссипативностьвычислительного алгоритма.Новыерезультатырасчетовотрывныхтеченийвсопоставлениис экспериментальными данными.Результаты детального сравнительного анализа эффективности методов,обеспечивающих ускорение RANS-LES перехода в оторвавшихся от обтекаемой8поверхности слоях смешения при проведении расчетов в рамках незонных гибридныхRANS-LES моделей турбулентности.Апробация работыОсновные результаты работы были представлены на следующих российскихи международных конференциях и семинарах:1.