Диссертация (1149258), страница 17
Текст из файла (страница 17)
5.36). Тем не менее,использование методов ускорения RANS-LES перехода в слоях смешения позволилоснизитьрассогласованиесэкспериментом,вчастности,отклонениеот115экспериментальных данных в центральной части каверны снизилось с 4дБ до 2.5дБ.Можно отметить также, что σ-DDES подход позволяет несколько точнее предсказатьуровень пульсаций давления, чем метод DDES в сочетании с подсеточныммасштабом ∆SLA.Рисунок 5.36. Сравнение уровня пульсаций давления на стенке (в дБ), полученногостандартным DDES подходом, DDES в сочетании с подсеточным масштабом,адаптированным к слоям смешения, а также σ-DDES, с экспериментальными данными1165.6.
Течение в проточной части модельного двухконтурного авиационногодвигателяКак и в более простых задачах, в задаче о течении в проточной частиавиационного двигателя применение методов ускорения RANS-LES перехода в слояхсмешения заметно влияет на структуру течения (см. рис. 5.37, на котором представленомгновенное поле завихренности на поверхности, расположенной равноудаленно откожуха и центрального тела ротора).Видно, что в результатах стандартного DDES подхода течение в слоях смешения,возникающих в результате отрыва пограничного слоя от лопаток ротора, не содержитразрешенных турбулентных структур вплоть до середины расстояния между ротороми статором. При использовании методов ускорения RANS-LES перехода образованиедвумерных вихрей происходит быстрее, однако структуры в слое смешения носятдостаточноупорядоченныйхарактердажепередлопаткамистатора,т.е.
рассматриваемые модификации не обеспечивают достаточно быстрое образованиеразвитой трехмерной турбулентности в слоях смешения.Влияниеисследуемыхмодификацийнауровеньтурбулентнойвязкостипредставлено на рисунке 5.38. Видно, что использование масштаба ∆SLA приводитк более сильному падению турбулентной вязкости на начальных участках слоевсмешения.
Помимо этого, за счет конвективного переноса турбулентных характеристикуровень турбулентной вязкости падает далее вниз по потоку.Более подробно структуру слоев смешения за лопатками ротора можнорассмотреть на рисунках 5.39 – 5.40, где представлены поля завихренности в двухсечениях между ротором и статором. Видно, что в первом сечении, находящемсяпрактически сразу за ротором (x = 0.04 м), ни один из методов не позволяет получитьразрешенных турбулентных структур. Ниже по потоку (x = 0.1 м) все методыпредсказывают наличие турбулентных структур в слое смешения.
Однако в решениистандартного DDES подхода вихревые структуры крупные и появляются лишь нарасстоянии порядка 0.1 м от центрального тела. При использовании модифицированныхверсий DDES подхода вихревые структуры появляются раньше, а вблизи кожухаразрешаемые структуры заметно более мелкие. Как и в большинстве рассмотренных117выше задач, использование подсеточного масштаба ∆SLA оказалось более эффективным,чем σ-модификация подсеточной модели SST DDES.Рисунок 5.37. Мгновенные поля безразмерного модуля завихренности на поверхности,равноудаленной от стенок кожуха и центрального тела, полученные стандартным DDESподходом, методом DDES в сочетании подсеточным масштабом ∆SLA, а также методомσ-DDES118Рисунок 5.38.
Мгновенные поля турбулентной вязкости на поверхности,равноудаленной от стенок кожуха и центрального тела, полученные стандартным DDESподходом, методом DDES в сочетании подсеточным масштабом ∆SLA, а также методомσ-DDES119Рисунок 5.39. Мгновенные поля безразмерного модуля завихренности в сеченииx = 0.04мРисунок 5.40. Мгновенные поля безразмерного модуля завихренности в сечении x = 0.1мНаличие протяженного участка перехода, имеющее место в результатах всехрассмотренных методов, сильно сказывается на точности предсказания осредненныхи пульсационных характеристик течения.
Так, представленное на рисунке 5.41сравнение полученных полей осредненной по времени величины продольнойсоставляющей скорости с экспериментальными данными свидетельствует о занижениитолщины слоя смешения и величины скорости в нем вблизи центрального тела всемирассмотренными методами. Переходный характер получаемого в расчетах теченияи наличие в нем упорядоченных вихревых структур влияет на форму слоя смешения:видно, что в результатах расчетов всеми методами средняя скорость в слое смешенияимеет не такой гладкий характер, как в эксперименте.Пульсации продольной составляющей скорости вблизи кожуха оказываютсязавышенными в результатах всех рассмотренных методов, что связано с тем, чтополученные в расчетах вихревые структуры в этой области значительно крупнее, чемв эксперименте (рис.
5.41).120В области около центрального тела в результатах стандартного DDESпрактически не имеется разрешенных структур, в результате чего пульсации в этойобласти оказываются существенно заниженными по сравнению с экспериментом.С другой стороны, использование методов ускорения RANS-LES перехода приводитк некоторому завышению пульсаций скорости в этой области, что с тем, что переходк трехмерному течению в слое смешения не завершился, а предсказанные турбулентныеструктуры слишком крупные.Тем не менее, из представленных на рисунке 5.41. результатов видно, чтоприменение методов ускорения RANS-LES перехода в слоях смешения, в особенностииспользование подсеточного масштаба ∆SLA, привело в этой задаче к улучшениюсогласования с экспериментом.
Так, скорость в слое смешения в центре между кожухоми центральным телом предсказывается этим методом точнее, чем стандартным DDESподходом и методом σ-DDES.Сравнение полученных спектров продольной скорости в шести точках сеченияx = 0.1 м (см. схему расположения точек сбора данных для статистики на рисунке 5.42)с экспериментальными данными представлено на рисунке 5.43. Видно, что помимоосновных пиков, имеющих место в эксперименте, в результатах расчетов имеютсядополнительные пики, связанные с процессом сворачивания слоя смешения и наличиемкрупных упорядоченных вихревых структур.
Тем не менее, спектры пульсаций скоростиво всех рассмотренных точках предсказывается модифицированными подходамизначительно точнее, чем стандартной версией DDES.Таким образом, можно заключить, что в задаче о течении в проточной частиавиационного двигателя, как и при расчете более простых течений, использованиеметодов ускорения RANS-LES перехода в рамках SST DDES подхода позволилополучить более точные результаты, причем использование масштаба, адаптированногок слоям смешения оказалось заметно более эффективным, чем σ-модификацияподсеточной модели.
Однако даже при использовании методов ускорения RANS-LESперехода, в слоях смешения, оторвавшихся от лопаток ротора, имеется достаточнопротяженная область перехода от полностью моделируемой к численно разрешаемойтурбулентности,и пульсационныхсущественным.врезультатечегохарактеристиксрассогласованиепредсказанныхэкспериментальнымиданнымисреднихостается121Рисунок 5.41. Сравнение полей осредненной продольной скорости и ее пульсаций,полученных стандартным DDES подходом, методом DDES в сочетании подсеточныммасштабом ∆SLA, а также методом σ-DDES, с экспериментом122Рисунок 5.42. Схема расположения точек, в которых собирались статистические данныедля получения спектров продольной составляющей скорости.Рисунок 5.43. Спектры пульсаций продольной составляющей скорости в шести точкахсечения x = 0.1м123Заключение1.Проведенаналитическийобзорсуществующихметодовускоренияперехода от моделируемой к численно разрешаемой турбулентности в оторвавшихсяслоях смешения в рамках незонных гибридных RANS-LES подходов к расчетутурбулентных течений.
На основе этого обзора для дальнейшего систематическогоанализа выбраны два наиболее перспективных метода. Первый из них базируется наиспользовании в рамках модели SST-DDES альтернативного подсеточного масштаба∆SLA, учитывающего особенности течения на начальном участке слоя смешения, авторой – на использовании альтернативной подсеточной модели турбулентности (σмодель).2.провестиСформирована «матрица» тестовых течений, расчет которых позволяетвсестороннееисследованиеэффективностивыбранныхметодов,и сформулирована математическая постановка соответствующих задач вычислительнойгидродинамики. Рассмотрены 6 различных отрывных течений:обтекание аэродинамического профиля NACA0021 под углом атаки 60°;обтекание выпуклости на пластине;течение в канале с внезапным расширением;сверхзвуковое продольное обтекание цилиндра с плоским донным срезом;трансзвуковое обтекание прямоугольной каверны, вмонтированной в плоскуюстенку;течение в проточной части двухконтурного авиационного двигателя.3.Создана и реализована в вычислительном коде NTS методическая база дляобъективной (в рамках единой незонной гибридной RANS-LES модели и единого длявсех рассматриваемых задач вычислительного алгоритма) оценки эффективностивыбранных методов.
Ее новыми элементами являются модель σ-DDES на основебазовой RANS модели SST и «гибридная» конечно-объемная схема.4.Проведены численное решение сформулированных задач и детальныйанализ полученных результатов, выполнено их сравнение с экспериментальнымиданными.Установлено,чтообарассмотренныхметодапозволяютускоритьформирование развитой трехмерной турбулентности в слоях смешения и существенно124повысить точность расчета как нестационарных, так и осредненных характеристик всехтестовых течений по сравнению со стандартным методом DDES. При этом показано, чтометод, основанный на использовании DDES в сочетании с модифицированнымлинейным подсеточным масштабом ∆SLA, является более эффективным, чем метод,использующий альтернативную подсеточную модель турбулентности σ.125Литература1.Spalart P.R.
Strategies for Turbulence Modeling and Simulations // Int. J. Heat FluidFlow. 2000. Т. 21, № 3. С. 252–263.2.Spalart P.R. и др. Comments on the feasibility of LES for wings, and on a hybridRANS/LES approach // Proceedings of first AFOSR international conference onDNS/LES. Ruston, Louisiana, USA, 1997. С. 137–147.3.Shur M. и др. Detached-eddy simulation of an airfoil at high angle of attack //Engineering turbulence modelling and Experiments. / под ред.
Rodi,W., Laurence,D.1999. Т. 4, С. 669–678.4.Travin A. и др. Detached-Eddy Simulations Past a Circular Cylinder // Flow Turbul.Combust. 1999. Т. 63. С. 293–313.5.M.Strelets. Detached Eddy Simulation of Massively Separated Flows // AIAA-20010879. 2001.6.Spalart P.R. Detached-eddy simulation // Annu.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
