Автореферат (1150461)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиХрабрый Александр ИосифовичЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕНЕСТАЦИОНАРНЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙЖИДКОСТИ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮСпециальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 20152Работа выполнена на кафедре гидроаэродинамики ФГАОУПетербургский государственный политехнический университет".ВО"Санкт-Научный руководитель:Кандидат физико-математических наук, доцент Зайцев Дмитрий КирилловичОфициальные оппоненты:Доктор технических наук, профессор Ткаченко Игорь Вячеславович, заведующийкафедройгидроаэромеханикииморскойакустикиСанкт-Петербургскогогосударственного морского технического университета,Доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Рябинин АнатолийНиколаевич, главный научный сотрудник кафедры гидроаэромеханики СанктПетербургского государственного университетаВедущая организация:Федеральное государственное унитарное предприятие «Крыловский государственныйнаучный центр», г.

Санкт-ПетербургЗащита состоится «»2015 года вчасов на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.30 по защите диссертаций на соискание ученойстепени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук при СанктПетербургском государственном университете по адресу: Санкт-Петербург,Петродворец, Университетский пр., 28, математико-механический факультет, ауд. 405.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им.

М. Горького СанктПетербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург,Университетская наб., 7/9 и на сайте http://spbu.ru/disser2/disser/Khrabry_AI_disser.pdf.Автореферат разослан «»Ученый секретарь диссертационногосовета Д 211.232.30, д.ф.-м.н., проф.2015 года.Кустова Елена Владимировна3Общая характеристика работыАктуальность проблемыТечения со свободной поверхностью играют важнейшую роль во многих сферахвзаимодействия человека с природой и в технике. Интересные с практической точкизрения течения являются, как правило, нестационарными, зачастую существеннотрехмерными и в условиях натекания потока на те или иные препятствияхарактеризуются сильной деформацией свободной поверхности. При этом можетвозникать отрыв вязкого слоя от поверхности, по которой течет поток, вызванныйобластью повышенного давления перед препятствием.Большинство встречающихся на практике течений со свободной поверхностьюявляются турбулентными.

При их численном моделировании, как правило, используютту или иную модель турбулентности. При этом в большинстве опубликованных работоставлен без рассмотрения вопрос о степени влияния учета турбулентности (как в ядрепотока, так и в пристенных областях) на получаемое решение, равно как и вопрос оприменимости используемой модели турбулентности для данного класса течений.

Такжезачастую не уделялось внимания вопросу качества полученного численного решения, егозависимости от схемных факторов.Для аккуратного учета эффектов турбулентности и вязких пристеночных эффектов,в том числе для правильного предсказания отрыва придонного пограничного слоя,необходимо обеспечить численное решение, практически сошедшееся по сетке. Этоозначает необходимость использования весьма густых расчетных сеток в целом порасчетной области, в сочетании с сильным сгущением к нижней стенке (так называемых«низкорейнольдсовых» сеток).

Данные требования в условиях необходимостипроведения нестационарных трехмерных расчетов приводят к большим затратамвычислительных ресурсов, что до недавнего времени делало проведение подобныхрасчетов практически невозможным. Открывшиеся сегодня, в связи с ростомкомпьютерных мощностей, возможности изменяют ситуацию, и проведение аккуратныхрасчетов турбулентных нестационарных течений жидкости со свободной поверхностью,с накоплением опыта по преодолению возможных трудностей методического характера,является актуальной задачей.В настоящее время наибольшее распространение при расчетах течений сосвободной поверхностью приобрел т.н. метод VOF (Volume-Of-Fluid), хорошозарекомендовавший себя в условиях сильной деформации свободной поверхности.

Вданном методе для определения положения свободной поверхности используетсяраспределение маркер-функции, представляющей собой объемную долю жидкости,динамика которой описывается уравнением конвективного переноса.Ощутимые затраты вычислительных ресурсов при расчетах сложных течений сосвободной поверхностью делают актуальной также задачу поиска эффективныхчисленных схем для решения уравнений метода VOF, позволяющих достичь требуемой4точности решения при сравнительно низких требованиях к густоте расчетной сетки ишагов по времени. Важной составной частью этой задачи является выбор схемы дляаппроксимации уравнения конвективного переноса маркер-функции.Цели работыПредставляемая диссертационная работа направлена на:1) Разработку основанного на методе VOF численного алгоритма для расчета теченийжидкости со свободной поверхностью в условиях сильной деформации последнейи с возможным отрывом вязкого придонного слоя перед препятствием.2) Отработку эффективных численных схем для решения системы уравнений методаVOF, позволяющих достичь требуемой точности решения при сравнительнонизких требованиях к густоте расчетной сетки и шагов по времени.3) Программную реализацию разработанного численного алгоритма.

Верификациюразработанного программного кода на ряде тестовых задач путем сравнения сэкспериментальными данными, аналитическими решениями и расчетами,проведенными с использованием других кодов.4) Проведение систематического исследования роли турбулентности и вязкихэффектов в придонной области в нестационарных течениях жидкости со свободнойповерхностью, включая случаи натекания потока на препятствия различнойформы.

Оценку применимости популярных моделей турбулентности SST и k- прирасчетах рассматриваемого класса течений.5) Применение разработанного программного кода для решения модельных задачпрактической направленности, включая определение нагрузок, действующих наодиночные и множественные препятствия в форме параллелепипедов.Научная новизна работы1. На серии тестовых задач показано превосходство «сжимающей» схемыM-CICSAM над другими известными схемами, применяемыми для решения уравненияконвективного переноса маркер-функции в методе VOF.2.

Разработана оригинальная методика дополнительного обострения межфазнойграницы, позволяющая улучшить качество численного решения уравненияконвективного переноса маркер-функции с применением «сжимающих» схем.3. Предложен способ введения искусственной диффузии маркер-функции дляустранения артефактов, возникающих при численном решении задачи о растеканиижидкости по сухой стенке с аккуратным разрешением вязкого подслоя.4. Разработан новый подход к аппроксимации конвективной части уравненийгидродинамики при реализации метода VOF, позволяющий существенно уменьшитьсеточную зависимость решения по сравнению с традиционными численными схемами.5. Проведено систематическое исследование значимости учета эффектовтурбулентности при численном моделировании течения, развивающегося послеобрушения дамбы и взаимодействующего с препятствием.56. Получены новые данные о влиянии вязких пристенных эффектов при натеканиипотока жидкости со свободной поверхностью на препятствия различной формы.7.

Получено численное решение существенно трехмерной задачи о натеканиипотока на множественные однорядные и двухрядные препятствия и выполненсопоставительный анализ действующих на них нагрузок.Достоверность полученных результатовДостоверность полученных в работе результатов обеспечена следующим:- положительной практикой использования метода VOF, представленной вмногочисленных литературных источниках;- систематической проверкой получаемых решений на независимость отиспользуемой расчетной сетки, шагов по времени,- хорошим согласованием результатов расчетов с известными аналитическимирешениями, экспериментальными данными и результатами расчетов, полученными подругим программным кодам.Практическая значимость работыПрактическая значимость диссертационной работы состоит в следующем: разработанный программный код Flag-FS позволяет моделировать теченияжидкости со свободной поверхностью, включая случаи ее сильной деформации, саккуратным разрешением эффектов придонного трения, в том числе при натеканиипотока на различные препятствия; разработанные рекомендации по выбору схем для аппроксимации уравнений,решаемых при использовании метода VOF, и предложенные модификации схемспособствуют уменьшению затрат вычислительных ресурсов при расчетахтечений со свободной поверхностью; накопленный опыт численного анализа натекания потока на различныепрепятствия с использованием «высоко-» и «низкорейнольдсовых» расчетныхсеток может быть полезен для проведения расчетов данного класса теченийпрактической направленности; предложенная методика искусственной диффузии маркер-функции вблизи стенокобеспечивает возможность корректного учета пристеночного трения при расчетерастеканияжидкостипосухойповерхностисиспользованием«низкорейнольдсовых» сеток.Апробация работыРезультаты работы докладывались на российских и международных конференцияхи семинарах: международной конференции по вычислительной гидродинамике (ICCFD6) (С.-Петербург, 12-16 июля 2010г.); европейской конференции по вычислительнымтехнологиям в прикладной науке и инженерии (ECCOMAS) (Вена, Австрия, 10-14сентября 2012г.); международной научной конференции “Супервычисления и6математическое моделирование” (Саров, 1-5 октября 2012г.); европейской конференциипо вычислительной гидродинамике (ECFD-VI) (Барселона, Испания, 20-25 июля 2014г.);суперкомпьютерной научной конференции “Научный сервис в сети Интернет” (г.Новороссийск, 22-27 сентября 2014г.); межвузовском видеосеминаре по аэромеханике(ЦАГИ – ИТПМ СО РАН – СПбПУ – НИИМ МГУ, 11 ноября 2014г.).Публикации по теме диссертации и личный вклад автораОсновные результаты работы изложены в восьми научных публикациях,приведенных в конце автореферата, в том числе три публикации в рецензируемыхнаучных изданиях, определенных ВАК.В получение результатов, вошедших в диссертационную работу, автор внесопределяющий вклад: он принимал активное творческое участие в разработке численногоалгоритма для расчета течений жидкости со свободной поверхностью, а его программнаяреализация, а также все расчеты, результаты которых представлены в диссертации, ихобработка и анализ выполнены им лично.

Соавторы публикаций – д.ф.-м.н. СмирновЕ.М. и к.ф.-м.н. Зайцев Д.К. – осуществляли консультирование по вопросам, связанным,соответственно, с моделированием турбулентности и со свойствами численных схем, атакже по постановкам задач и интерпретации полученных результатов; д.т.н. ГорячевВ.Д. оказал содействие в графическом представлении результатов решения задачи онатекании потока на множественные препятствия.Положения, выносимые на защитуРезультаты сравнительного анализа работоспособности различных численных схем,применяемых для аппроксимации уравнения конвективного переноса маркер-функции вметоде VOF.Численные методики, разработанные для улучшения качества решения уравненияпереноса маркер-функции.Результаты тестовых расчетов течений жидкости со свободной поверхностью всопоставлении с экспериментальными данными.Результаты численного исследования роли турбулентности и пристеночного тренияв течениях жидкости со свободной поверхностью применительно к задачам о натеканиипотока на препятствия различной формы.Результаты сопоставительного численного анализа величин нагрузок, действующихна множественные однорядные и двухрядные препятствия в форме параллелепипедовпри натекании на них потока жидкости.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

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.

Список файлов диссертации