Диссертация (792745), страница 20
Текст из файла (страница 20)
п. 4.1).В расчетах была использована геометрическая модель оболочки размерами вплане 20х50 м и высотой 8.6 м, форма которой получена в п. 4.2.1.Следует заметить, что расчет подобной оболочки в статической несвязаннойпостановке рассмотрен в статье Р. Харнаха [33, с.
383-436], что позволялокачественно оценить результаты, полученные в данной работе.В качестве материала оболочки принята линейно-упругая ортотропная модельусловной технической ткани с покрытием толщиной 1 мм, физико-механическиепараметры которой приведены в таблице 4.1.Рассмотрены ситуации при следующих величинах исходных параметров:Внутреннее давление p, Па150, 300Скорость набегающего потока v, м/с20, 25, 35Угол атаки α, °0, 15, 30Матрица расчетных моделей для различных сочетаний параметров показана втаблице 4.3. Скоростной напор (динамическое давление) определяется по формуле(4.1), параметр ψ – по формуле (4.2).Таблица 4.3Шифрα, °v, м/сp, Паq, Паψ1.41520150245.00.611.5020150245.00.611.63020150245.00.61136Шифрα, °v, м/сp, Паq, Паψ1.71525150382.80.391.83025150382.80.391.9025150382.80.392.1035300750.30.402.21535300750.30.402.33035300750.30.40HR1.1025150382.80.39HR1.21525150382.80.39HR1.33025150382.80.39HR2.1 DES025150382.80.392d FSI DES025150382.80.394.2.4.2.
Описание расчетных моделей ANSYS FluentЗадача аэродинамики решалась в ANSYS Fluent с помощью метода конечныхобъемов (МКО. Был использован подход, базирующийся на использованииосредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (RANS), замкнутых спомощью полуэмпирической модели турбулентности Ментера k-ω SST, котораяпоказала наилучшую согласованность результатов с экспериментальнымиданными среди рассмотренных полуэмпирических RANS-моделей турбулентности.Кроме того, для некоторых моделей выполнялись расчеты с использованиемгибридного вихреразрешающего подхода DES в квазидвухмерной постановке.Расчетыпроизводилисьнаструктурированноймногоблочнойсетке,состоящей из шестигранных ячеек. Сгущение сетки выполнялось к поверхностиоболочки и нижней части расчетной области, соответствующей поверхности земли.Толщина первой расчетной ячейки составляла 0.01 м (0.002 м в моделях HR1.1HR1.3),чтоподразумеваетиспользованиепристеночныхфункцийдлямоделирования пограничного вблизи оболочки.
В моделях Проверка корректности137решения выполнялась для сеток различной размерности: для моделей 1.4-2.3порядка 150000 КО, для моделей HR1.1-HR1.3 порядка 700000 КО.Расчетная область представляла собой прямоугольный параллелепипеддлиной 250 м (в направлении потока), шириной 180 м (в поперечном направлении)и высотой 60 м. Передняя грань расположена на расстоянии 80 м от оболочки,задняя – 150 м, а боковые грани – на расстоянии 65 м.Фрагмент расчетной сетки для различных изучаемых моделей показаны нарисунке 4.15. При трехмерной постановке детализация сетки не позволяетпроводить расчет за приемлемое время.
При используемой конфигурациикомпьютера (1 персональный компьютер, оснащенный 6-ядерным процессором и16 Гб оперативной памяти) время расчета задачи размерностью порядка 1 млн КОсоставляло около 140 часов для исследуемого интервала времени 20 секунд.а)б)в)Рисунок 4.15. Фрагменты расчетной сетки для следующих моделей:а) 1.5; б) НR1.1; в) 2d FSI DES138На входе в расчётную область задавалась постоянная по высоте скоростьпотока, в выходном сечении было задано нулевое значение относительногостатического давления, по боковым стенкам и верхней границе установленоусловие симметрии. На нижней поверхности задавалось условие стенки.Интенсивность турбулентности во всех расчетах принималась равной 5%.Величина линейного масштаба турбулентности была принята равной 0.7 м (8% отвысоты оболочки) диаметра, шероховатость поверхности оболочки задаваласьравной 0.2 мм.Толщина первой ячейки вблизи оболочки принималась так, чтобыминимальная величина автомодельной переменной в законе стенки-следа в первомот поверхности узле сетки y+ > 30.
При такой величине y+ пограничный слойдостаточно хорошо моделируется с использованием пристеночных функций [88].Для временной аппроксимации использовалась неявная схема второго порядкааппроксимации.Шагповременивыбиралсяизусловияустойчивостиитерационного процесса и в зависимости от скорости потока варьировался вдиапазоне от 0.001 до 0.005 с.4.2.4.3. Описание расчетной модели ANSYS MechanicalСогласноразработаннойметодике,определениенапряженно-деформированного состояния (НДС) оболочки (задача строительной механики)осуществлялось в модуле ANSYS Mechanical методом конечных элементов. Всерасчеты производились в геометрически нелинейной постановке с помощьюметода Ньютона-Рафсона.
Матрица демпфирования задавалась в виде суммыматрицы жесткости, умноженной на коэффициент 0.4. Максимальный размер сеткиКЭ составил 1 м, для моделирования оболочки использовано 2721 КЭ.Аналогичное разбиение показано на рисунке 4.11, а). Остальные параметрырасчетной модели аналогичны приведенным в п. 4.1.2.2.1394.2.4.4. Анализ результатов численного моделирования обтекания оболочки всвязанной постановкеНа рисунке 4.16 показана оболочка в плане с обозначением угла скольженияα, скорости ветра v и тремя плоскостями сечений I-I, II-II и III-III, в которыхпроверялись результаты.Рисунок 4.16 Принятые обозначения и схема расположения секущих плоскостейдля анализа результатов.
Размеры указаны в метрах.На рисунке 4.17 приводятся графики аэродинамического коэффициентадавления Cp для расчетных схем 1.4, 1.5, и 1.6 (ψ = 0.61) соответствующиеразличным углам скольжения α, а также штриховыми линиями показанырезультатыпродувкимягкоймоделицилиндрическойоболочкисцилиндрическими торцами по экспериментальным данным Х.-Ю. Нимана (см.рисунок 4.20 в [32]).1401.000.500.00Cp-0.50-1.00-1.50-2.00-2.500306090120150180Широтный угол θ°1.5. α = 0°, ψ = 0.61, I-I1.4.
α = 15°, ψ = 0.61, I-I1.6. α = 30°, ψ = 0.61, I-I[33], α = 0°, ψ = 0.58, I-I[33], α = 30°, ψ = 0.58, I-IРисунок 4.17 Аэродинамический коэффициент давления Cp в зависимости от угласкольжения αСледует обратить внимание на то, что при угле скольжения 30° на заветреннойчасти оболочки также наблюдается зона существенного отсоса. Это объясняетсятем, что за оболочкой возникает устойчивая зона завихрения, обозначенная нарисунке 4.18 в виде линий тока.Рисунок 4.18 Линии тока за оболочкой при угле скольжения α = 30° (модель 1.6)141В целом, картина вихреобразования за оболочкой соответствует результатам,полученным для полуцилиндрического выступа в работе [63] экспериментально ис помощью метода прямого численного моделирования (DNS) (см.
рисунок 4.19).Следует отметить, что поскольку в указанной работе число Рейнольдса (по высотевыступа) изменялось в диапазоне от 165 до 480, а результаты, полученныедиссертантом соответствуют Re 1.424 107 , то полного совпадения результатовнаблюдать не приходится.Рисунок 4.19 Сравнение картин вихреобразования: визуализации (сверху) ирасчета (снизу) мгновенной картины течения [63]: Re 165 (a), Re 480 (b);мгновенное изополе завихренности: модель 2d FSI Re 1.424 107 (с)142На рисунке 4.20 показаны графики аэродинамического коэффициентадавления Cp для оболочки, рассчитанной без учета деформаций («No FSI»), вдвусторонне связанной постановке при ψ = 0.39 (в трехмерной и квазидвухмернойпостановке), а также по данным экспериментальных исследований Л. Виттинга,представленных в [33] для цилиндрической оболочки при ψ = 0.428.1.000.500.00Cp-0.50-1.00-1.50-2.00-2.500306090120Широтный угол θ°1.9.
α = 0°, ψ = 0.39, I-I[33], α = 0°, ψ = 0.428, I-I1.9 No FSI, α = 0°, I-I2d FSI DES. α = 0°, ψ = 0.391501801.8. α = 30°, ψ = 0.39, I-I[33], α = 30°, ψ = 0.428, I-I1.8 No FSI, α = 30°, I-IРисунок 4.20 Аэродинамический коэффициент давления CpСледует отметить хорошее качественное и количественное соответствиерезультатов для нулевого угла скольжения, так как в среднем сечении рассчитаннаяавтором воздухоопорная оболочка имеет сечение близкое к дуге окружности. Приугле скольжения α = 30° количественное соответствие нарушается, посколькусказывается кривизна оболочки в продольном направлении, которая отсутствует уцилиндрической оболочки.
Однако, качественное соответствие сохраняется и вэтом случае. На этом же графике показаны результата для расчета обтекания143оболочки как недеформируемого тела, легко заметить очень существенное отличиеэтих результатов как по величине, так и по «полноте» эпюры.Данный эффект объясняется тем, что при решении задачи в двустороннесвязанной постановке учитывается увеличение кривизны оболочки из-за появленияна наветренной стороне вогнутого участка и существенного отсоса в верхней части.Для более наглядного представления результатов на рисунке 4.22 показаныкарты распределения аэродинамического коэффициента давления Cp при углахскольжения α = 0° (модель 1.9) и α = 30° (модель 1.8) для случая ψ = 0.39.б)а)Рисунок 4.21 Карты распределения аэродинамического коэффициента Cpа) α = 0° (модель 1.9); б) α = 30° (модель 1.8)УпрощенныедавлениякартыCp могутраспределенияиспользоватьсядляаэродинамическогозаданияветровыхкоэффициентанагрузокнавоздухоопорные оболочки.Далее остановимся на результатах расчета перемещений точек оболочки.Деформированная поверхность оболочки для рассматриваемого случая (ψ = 0.39144(модель 1.8) показана на рисунке 4.22.
Заметно образование складок (показаныстрелкой), поскольку внутреннего давления недостаточно для стабилизации формыоболочки, а величина горизонтальных перемещений достигает величины 1.27 м.Рисунок 4.22 Карта горизонтальных перемещений оболочки, нанесенная надеформированную поверхность оболочки (в истинном масштабе), α = 30°,ψ = 0.39 (модель 1.8). Серым цветом обозначена исходная поверхность.Ниже, на рисунке 4.23 показана карта горизонтальных перемещений,нанесенная на деформированную поверхность оболочки для случая ψ = 0.61(модель 1.6).Рисунок 4.23 Карта горизонтальных перемещений оболочки, нанесенная надеформированную поверхность оболочки (в истинном масштабе), α = 30°,ψ = 0.61 (модель 1.6).
Серым цветом обозначена исходная поверхность145На рисунке 4.24 показаны графики аэродинамического коэффициентадавления Cp при нулевом угле скольжения для различных значений параметра ψ.1.000.500.00Cp-0.50-1.00-1.50-2.00-2.500306090120Широтный угол θ°1.5. α = 0°, ψ = 0.61, I-I1.9. α = 0°, ψ = 0.39, I-IHR1.1, α = 0°, ψ = 0.39, I-I1501801.5. α = 0°, ψ = 0.61, II-II1.9. α = 0°, ψ = 0.39, II-IIHR1.1, α = 0°, ψ = 0.39, II-IIРисунок 4.24 Аэродинамический коэффициент давления Cp при нулевом углескольжения для различных значений параметра ψ для сечений I-I и II-IIНаблюдается аналогичный эффект, вызванный увеличением кривизныоболочки вследствие деформации. Деформированная поверхность оболочки дляслучая ψ = 0.39 (модель 1.9) при α = 0° показана на рисунке 4.25.Рисунок 4.25 Деформированная поверхность оболочки, ψ = 0.39 (модель 1.9)146Таким образом можно сделать вывод, что наибольшие горизонтальныеперемещения возникают в оболочке под действием поперечной ветровой нагрузкипри ненулевом угле скольжения, что не соответствует общепринятым понятиям.Следовательно, проведение расчетов оболочек на действие ветра при ненулевомугле скольжение следует добавить в рекомендации по расчету.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
