Диссертация (786472)

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

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(национальный исследовательский университет)На правах рукописиЛАРИНА Елена ВладимировнаЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДВУХ ИТРЕХПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИСпециальность 01.02.05Механика жидкости, газа и плазмы.Диссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:Кандидат физико-математических наукКрюков Игорь АнатольевичМосква2014СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ4ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯГАЗА161.1. Система осредненных по Фавру уравнений переноса массы, импульса и энергии161.2.

Модели турбулентности191.3. Модификации уравнения для неравновесной турбулентной вязкости291.4. Постановка граничных условий321.5. Релаксационная модель в задаче затухания однородной изотропнойтурбулентности.371.6. Численное моделирование задачи о взаимодействии однородной изотропнойтурбулентности с ударной волной с использованием параметрических моделейтурбулентности.421.7. Численное моделирование течения в недорасширенной сверхзвуковой струе,экспериментально исследованной в работе Seiner, Norum, 1979 [152].531.8. Выводы к главе 1.57ГЛАВА 2.

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС РАСЧЕТА ПРОСТРАНСТВЕННЫХТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ НА НЕСТРУКТУРИРОВАННЫХ РАСЧЕТНЫХСЕТКАХ592.1. Математическая модель592.2. Численный метод592.3. Численные результаты612.4. Расчет течения в модели ГПВРД662.5. Численное моделирование сверхзвуковой турбулентной струи на основе LESподхода.692.6. Выводы к главе 2.72ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ В СОПЛАХ СОТРЫВОМ ПОТОКА ОТ СТЕНКИ733.1. Настройка параметров модели турбулентности в ходе численного моделированиятечения внутри плоского сопла и сравнение с экспериментальными результатами C.A.Hunter [111]:7323.2.

Течение внутри осесимметричного сопла с толстой стенкой R. Stark, G. Hagemann[164]843.3. Течение в осесимметричных конических и профилированных соплах.873.4. Выводы к главе 3.93ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ВБЛИЗИСЖИМАЮЩЕГО УГЛА И ДВУМЕРНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ВВОЗДУХОЗАБОРНИКЕ964.1. Сверхзвуковое турбулентное течение вблизи сжимающего угла.974.2.

Сверхзвуковое турбулентное течение вблизи двумерной ступеньки с наклоннойнаветренной гранью.1044.3. Гиперзвуковое турбулентное течение вблизи сжимающего угла.1054.4. Сверхзвуковое и гиперзвуковое течение в воздухозаборнике.1104.5.

Выводы к главе 4.117ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВПРОТЕКАЮЩИХ ВО ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЯХ ЛА ПРИ ИХВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВНЕШНИМ ПОТОКОМ1185.1. Течение в прямоугольной каверне1185.2. Исследование обтекания прямоугольной каверны сплоской крышкой и окномв двухмерном приближении.1335.3.

Исследование обтекания прямоугольной каверны с крышкой в виде дугиокружности и окном в двухмерном приближении.1405.4. Выводы к главе 5.145ЗАКЛЮЧЕНИЕ146СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1503ВВЕДЕНИЕ.Актуальностьработы.Большинствореальныхсверхзвуковыхигиперзвуковых течений, представляющих практический интерес, сопровождаетсятакими явлениями, как ударные волны, волны разрежения, пограничные слои илислои смешения.

Такие течения является турбулентными или становится таковыми,начиная с некоторого момента времени. Необходимость проведения моделированиясверхзвуковых турбулентных течений возникает при проектировании двигательныхустановок ракетной техники, самолетов военной и бизнес-авиации, при исследованииспуска капсул космических аппаратов при прохождении плотных слоев атмосферы.Поэтомуактуальнойзадачейвнастоящеевремяостаетсявыбормоделитурбулентности для повышения точности моделирования сверхзвуковых течений.Развивающиеся в настоящее время вихреразрешающие методы (LES, DES, RANSLES, MILES и др.), являются вычислительно затратными и в большинстве случаев неподходят для массового практического применения в инженерных приложениях, хотяипозволяютполучатьрезультатысхорошейточностью.Альтернативойвихреразрешающим методам по-прежнему остаются различные RANS модели, темболее, что вихреразрешающие подходы зачастую требуют начального приближения,получаемого с помощью RANS моделей.Выбор подходящих моделей турбулентности из класса RANS моделейосложняетсяихогромнымразнообразием.Средимоделейтурбулентностисуществует целый класс одно- и двухпараметрических моделей, большая частьконстант которых настраивалась на канонические течения и описывает их достаточноточно.

Но в представляющих интерес ситуациях течений с большими градиентамипараметров, например, с градиентами давления, данные модели турбулентностиприводят к значительным погрешностям предсказания средних параметров течения.Наличие местных больших градиентов в течении существенно сказываются натечении вниз по потоку и его параметрах, поэтому для моделей турбулентностиважен правильный учет предыстории течения.

Помимо различных стационарныхсверхвуковых течений с большими градиентами, правильный учет предысториитечения, в том числе правильный учет различных неравеновесных эффектов,связанных с турбулентностью, может быть важен при моделировании различных4нестационарных сжимаемых течений, например, течений в кавернах. Течения вкавернах являются достаточно актуальной задачей в силу того, что каверныиспользуются на поверхностях теплообменных устройств, встречаются на различныхвидах обтекаемых поверхностей частей летательных аппаратов в виде выемок,полостей.Модели напряжений Рейнольдса специально предназначены для подробногоучета предыстории течения, но они не лишены эмпиризма, содержат большоеколичество дополнительных уравнений, что существенно увеличивает время счета,могут приводить к нефизичным решениям из-за нарушения условий реализуемости,добавляют жесткость системе уравнений, что для инженерных течений являетсянеприемлемым.

Другой класс моделей, предназначенный для дополнительно учетапредыстории течения по сравнению с двухпараметрическими моделями - класстрехпараметрических моделей. Одна из таких моделей, так называемая "lag" модельтурбулентности (или по-другому k-ω-µt модель турбулентности), специальнопредназначенадлямоделированиявысокоскоростныхтеченийсбольшимиградиентами давления, что отражено в ряде работ из литературы. Указанная модельсостоит из релаксационного уравнения для турбулентной вязкости, в котором дляопределениявременногодвухпараметрическаяk-ωмасштабамодельиравновеснойWilcox(1994).вязкостиДаннаяиспользуетсямодельявляетсявычислительно экономичной, поэтому в текущем исследовании основное вниманиебудет уделено моделированию сверхзвуковых течений с использованием указанной kω-µt модели турбулентности и ее модификаций.Цель работы.Разработать,релаксационныевысокоскоростныхверифицироватьмоделиитурбулентнойсжимаемыхтечений,применитьвязкостисравнитьтрехпараметрическиедлямоделированияихсдругимитрехпараметрическими и двухпараметрическими моделями турбулентной вязкости.Задачи исследования.Для достижения цели были поставлены и решеныследующие задачи:Реализация и разработка модификации трехпараметрической релаксационной k-ω-µtмодели турбулентной вязкости, построенной на основе нескольких вариантов5двухпараметрических моделей турбулентности, апробированных ранее на задачахмоделирования высокоскоростных отрывных течений в соплах и высокоскоростныхтечений в струях.-Реализация релаксационной k-ω-µt модели турбулентной вязкости [137] иразработкамодификацииданноймоделисучетомдополнительныхвременных масштабов времени неравновесности, турбулентного давления ивязких эффектов.-Разработка и реализация трехпараметрической релаксационной k-ε-µt моделитурбулентной вязкости, построенной на основе нескольких вариантовдвухпараметрических k-ε моделей турбулентности, таких как "стандартная" kε модель [120], k-ε модель Chen [90], RNG k-ε модель [178].-Исследование применимости исходной k-ω-µt модели и модифицированныхрелаксационных моделей турбулентной вязкости для расчета сверхзвуковыхи гиперзвуковых двумерных течений (отрывных течений в соплах,сверхзвукового течения в струе, сверхзвукового и гиперзвукового обтеканиясжимающего угла).-Разработка программного комплекса расчета трехмерных турбулентныхтечений на неструктурированных сетках.-Проверкаработоспособностипредлагаемогопрограммногокомплексарасчета трехмерных турбулентных течений.-Применениепараметрическихвысокоскоростногодвумерногомоделейтурбулентноститечениявдлярасчетавоздухозаборникеинестационарного течения внутри мелкой каверны.Методыисследования.Вработеиспользуетсяметодчисленногомоделирования.

В качестве рабочих тел в исследовании выступают воздух,рассматриваемый как «однокомпонентный» идеальный газ, или азот. Математическаямодель состоит из системы осреденных по Фавру уравнений переноса массы,импульса, энергии и турбулентных величин. Для решения уравнений математическоймодели выбран обобщенный метод Годунова второго (для трехмерных уравнений) иболее (для двумерных уравнений) порядка точности по пространству и времени, вкотором решение задачи о распаде разрыва реализовано с помощью точного иразличных приближенных решателей. Второй и более порядок точности по6пространству достигается применением процедуры восстановления, второй порядокточности по времени достигается использованием двухшагового метода Рунге-Кутта.Среди используемых моделей турбулентности есть низкорейнольдсовые (требующиеразрешения пограничных слоев вплоть до вязкого подслоя) и высокорейнольдсовые(требующие разрешения пограничных слоев до логарифмического подслоя) модели.Для последних граничные условия на твердых поверхностях ставятся на основепристеночных функций с учетом градиента давления, предназначенных для расчетовтечений с отрывами.Достоверностьрезультатовисследованияобусловленасравнениемрезультатов с аналитическими решениями, экспериментальными результатами,предложеннымидляверификациимоделейтурбулентностиирасчетнымирезультатами других авторов, контролем точности вычислений.Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:- впервыепредложенамодификациитрехпараметрическоймоделиk-ω-μtтурбулентности с учетом сжимаемости, неравновесных эффектов и турбулентногодавления, позволяющие улучшать предсказание положения системы скачковуплотнения и статического давления в недорасширенной сверхзвуковой струе посравнению с исходной k-ω-µt моделью [137], предсказание положения отрыва ивосстановления статического давления при перерасширенном режиме течений вплоских и осесимметричных 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.

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