Автореферат (786470)
Текст из файла
На правах рукописиЛАРИНА Елена ВладимировнаЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДВУХ ИТРЕХПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИСпециальность 01.02.05 «Механика жидкости, газа и плазмы».АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА – 2014Работа выполнена на кфедре «Вычислительная математика и программирование»ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)» (МАИ)НаучныйКрюков Игорь Анатольевичруководитель:кандидат физико-математических наук, старший научныйсотрудник Института проблем механики им. А.Ю.
Ишлинского РАНОфициальныеСекундов Александр Николаевичоппоненты:доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудникГосударственного научного центра Федерального государственногоунитарногопредприятия"Центральныйинститутавиационногомоторостроения имени П.И. Баранова",Сафронов Александр Викторовичкандидат физико-математических наук, руководитель отдела«Газодинамикастарта»ФГУП"Центральныйнаучно-исследовательский институт машиностроения" (ЦНИИмаш).ВедущаяГосударственныйорганизация:федеральноенаучныйцентргосударственноеРоссийскойунитарноеФедерациипредприятие«Исследовательский центр имени М.В.
Келдыша»Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 10ч. 00 мин. на заседании диссертационногосовета Д 212.125.14 на базе Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета) по адресу: 125993, Москва,А-80, ГСП-3,Волоколамское ш., д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)».Автореферат разослан «___» _______2014 г.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.125.14Гидаспов В. Ю.к. ф.-м.
н., с.н.с.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования.Большинство турбулентных сверхзвуковых игиперзвуковых течений сопровождается такими явлениями, как ударные волны,волны разрежения, пограничные слои или слои смешения. Необходимостьмоделирования сверхзвуковых турбулентных течений возникает при проектированиидвигательныхустановоклетательныхаппаратов(ЛА),приисследованиипрохождения плотных слоев атмосферы космическими аппаратами.
Поэтому дляповышения точности моделирования актуальной задачей остается выбор моделитурбулентности. Развивающиеся вихреразрешающиеsimulation,илиметодмоделированияметоды (LESкрупныхвихрей),(large-eddyRANS-LES(комбинированные методы), MILES (Monotone Integrated Large Eddy Simulation) идр.), вычислительно затратны и часто не подходят для инженерных приложений, хотяпозволяют получать результаты с хорошей точностью. Альтернативой остаютсяразличныеRANSмодели(Reynolds-averagedNavier-Stokes,осредненныепоРейнольдсу уравнения переноса массы, импульса и энергии).Выбор среди RANS моделей турбулентности осложняется их разнообразием.Существуетклассодно-идвухпараметрическихмоделейтурбулентности,настроенных на точное описание канонических течений.
Для течений с большимиградиентами параметров эти модели приводят к заметным погрешностям в среднихпараметрах. Наличие местных больших градиентов сказываются на параметрахтечении вниз по потоку, поэтому для моделей турбулентности важен правильныйучет предыстории течения, в том числе учет различных неравеновесных эффектов.Это важно и при моделировании нестационарных сжимаемых течений, например,течений в кавернах. Каверны используются на поверхностях теплообменныхустройств, встречаются на различных видах обтекаемых поверхностей частей ЛА.Модели напряжений Рейнольдса предназначены для учета предыстории течения,но они не лишены эмпиризма, могут приводить к нефизичным решениям, содержатбольшое число уравнений и добавляют жесткость системе уравнений, чтонеприемлемо для инженерных задач.
Другой класс моделей с дополнительнымучетом предыстории течения по сравнению с двухпараметрическими моделями трехпараметрические модели. Одна из таких моделей, так называемая "lag" модельтурбулентности(иначеk-ω-µtмодель),3применяетсядлямоделированиявысокоскоростных течений с большими градиентами давления (Olsen, Coakley, 2001).Указанная модель включает дополнительное уравнение для турбулентной вязкости, вкотором для определения временного масштаба и равновесной вязкости используетсядвухпараметрическая k-ω модель Wilcox (1994). Данная модель вычислительноэкономична, поэтому ей и её модификациям в работе уделено основное внимание.Цель работы. Разработать, верифицировать и применить трехпараметрическиерелаксационныевысокоскоростныхмоделитурбулентнойсжимаемыхтечений,вязкостидлясравнитьмоделированияихсдругимитрехпараметрическими и двухпараметрическими моделями турбулентной вязкости.Задачи исследования.
Для достижения цели были решены следующие задачи:- Реализовать k-ω-µt модель турбулентной вязкости Olsen, Coakley и разработатьмодификации данной модели с учетом дополнительных временных масштабоввремени неравновесности, турбулентного давления и вязких эффектов.- Разработать и реализовать трехпараметрическую k-ε-µt модель турбулентнойвязкости на основе нескольких вариантов двухпараметрических k-ε моделейтурбулентности, таких как "стандартная" k-ε модель Launder, Spalding (1974), k-εмодель Chen (1986), RNG k-ε модель Yakhot et..al.
(1992).- Исследовать применимость исходной k-ω-µt модели и модифицированных моделейдля расчета сверхзвуковых и гиперзвуковых двумерных течений (отрывных течений всоплах, течения в струе, обтекания сжимающего угла).- Разработать программный комплекс расчета трехмерных турбулентных течений нанеструктурированных сетках и проверить его работоспособность.-Примененитьпараметрическиемоделитурбулентностидлярасчетавысокоскоростного двумерного течения в воздухозаборнике и нестационарноготечения внутри мелкой каверны и отсеке ЛА.Методы исследования.
Используется метод численного моделирования. Газ «однокомпонентный» идеальный. Математическая модель (ММ) состоит из системыосреденных по Фавру уравнений переноса массы, импульса, энергии и турбулентныхвеличин. Для решения уравнений ММ выбран обобщенный метод Годунова второго(для трехмерных уравнений) и более (для двумерных уравнений) порядка точности попространству и времени, в котором решение задачи о распаде разрыва реализовано спомощью точного и различных приближенных решателей. Порядок точности по4пространствудостигаетсяприменениемпроцедурывосстановления,порядокточности по времени - использованием многошагового метода Рунге-Кутта. Средииспользуемых моделей турбулентности есть низкорейнольдсовые (требующиеразрешения погранслоя вплоть до вязкого подслоя) и высокорейнольдсовые(требующие разрешения погранслоя до логарифмического подслоя) модели. Дляпоследних граничные условия на твердых поверхностях ставятся на основепристеночных функций с учетом градиента давления, предназначенных для течений сотрывами.
Для нахождения стационарных решений применяется метод установления.Достоверность результатов исследования обусловлена сравнением результатовс аналитическими решениями, экспериментальными результатами, предложеннымидля верификации моделей турбулентности и расчетными результатами другихавторов, контролем точности вычислений.Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:- впервые предложена модификации k-ω-μt модели турбулентности с учетомсжимаемости, неравновесных эффектов и турбулентного давления, позволяющихулучшать предсказание положения системы скачков уплотнения и статическогодавления в недорасширенной сверхзвуковой струе по сравнению с исходной k-ω-µtмоделью Olsen, Coakley, предсказание положения отрыва и восстановлениястатического давления при перерасширенном режиме течений в плоских иосесимметричных соплах;- впервые получена простая трехпараметрическая релаксационная k-ε-μt модельтурбулентности и исследована ее применимость для расчетов сверхзвуковых игиперзвуковых турбулентных двумерных течений с отрывами и течения внедорасширенной сверхзвуковой струе.
Показано, что данная модель является однойиз лучших RANS моделей турбулентности для указанных классов течений.Практическая значимость исследования состоит в том, что:- на основе полученных моделей турбулентности можно проводить моделированиедвух- и трехмерных высокоскоростных течений в двигательных установках ЛА,- показана применимость k-ω-µt, k-ε-µt моделей турбулентности и k-ω-µt моделей сучетом временного масштаба неравновесности, турбулентного давления и вязкихэффектов для расчета высокоскоростных сжимаемых течений,- исследована роль геометрических факторов, таких как форма люков и5расположение отверстий в люках на режимы течения, возникающие в отсеках ЛА приобтекании их внешним дозвуковым потоком.ПредставлениедокладывалисьрезультатовнаVII-Xработы.МеждународныхОсновныеконференцияхрезультатыпоработынеравновеснымпроцессам в соплах и струях (NPNJ-2008, -2010, -2012, -2014), ХVI-ХVIIIМеждународных конференциях по вычислительной механике и современнымприкладным программным системам (ВМСППС-2009, -2011, -2013), 4-ойи 5-ойВсероссийских школах-семинарах "Аэрофизика и физическая механика классическихиквантовыхсистем"(АФМ-2010,-2011),XВсероссийскомсъездепофундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (2011), IXМеждународном Симпозиуме по радиационной плазмодинамике (РПД-2012), ХIIIмеждународной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (ММА-2013), 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences (ICAS-2014).Публикации.
Основные научные результаты работы опубликованы в 13 печатныхработах, в том числе в 3 статьях в изданиях, определенных ВАК РФ для публикацииматериалов диссертаций.Личный вклад автора Автором выполнена вся работа по решению уравнениймоделей турбулентности и постановке граничных условий для турбулентных величинв трехмерномкоде расчета нанеструктурированных сетках, модификациидвумерного кода для использования трехпараметрических моделей турбулентности,анализу влияния релаксационного уравнения для турбулентной вязкости в задачезатуханияоднороднойизотропнойтурбулентности.Авторпринималнепосредственное участие в формулировке предлагаемых моделей турбулентности, вразработке трехмерного кода для расчета течений на неструктурированных сетках, впроведении всех вычислительных экспериментов, в том числе постановке начальныхи граничных условий, соответствующих экспериментальному описанию, построениюимодификацииисследованияхсеток,проведениисходимости,расчетовприменимостииобработкемоделейихрезультатов,турбулентности,литературы и подготовке публикаций по теме диссертационной работы.На защиту выносятся:1) трехпараметрическая k-ε-μt модель турбулентности, включающая уравнения6поискестандартной k-ε модели турбулентности и дополнительное релаксационное уравнениедля турбулентной вязкости, позволяющая повысить точность прогноза отрыватурбулентного пограничного слоя в соплах, при обтекании сжимающего угла;2) результаты исследования свойств моделей турбулентности, оказывающих влияниена средние параметры турбулентности в задаче о взаимодействии однороднойизотропной турбулентности со стационарной ударной волной;3) результаты численного моделирования отрывных течений с использованиемпредложенныхтрехпараметрическихмоделейтурбулентностивсоплах,недорасширенной сверхзвуковой струе, отрывного течения вблизи сжимающего угла,широко используемых для верификации различных моделей турбулентности;4)результатымоделированиясверхзвуковогодвумерноготеченияввоздухозаборнике;5)результатычисленногоисследованияметодовуправленияпараметрамиколебательного режима течения вязкого газа в открытой мелкой каверне с помощьюгеометрического фактора.Структура работы.
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}
