Автореферат (1149257)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
