Разработка эффективных комбинированных RANS/LES-методов для расчета сложных турбулентных струй

• Автор: Любимов, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Разработка эффективных комбинированных RANS/LES-методов для расчета сложных турбулентных струй
Введение . ,
Глава 1 Выбор элементов для построения эффективных комбинированных RAN S/LES-методов
1.1 Элементы численного метода, определяющие его точность
1.2 Влияние способа вычисления давления на точность метода
1.3 Требования, предъявляемые к разностным схемам для RANS и для LES
1.4 Модель турбулентности и SGS-модель
1.5 LES с неявной SGS-моделью
1.6 Выбор схем для построения эффективных комбинированных RANS/LES-методов
Глава 2. Численная реализация комбинированных RANS/LES-методов
2.1 Системы уравнений
2.2 Метод решения.
2.3 Модель турбулентности
2.4 Построение неявного оператора
2.5 Аппроксимация диффузионных членов уравнений
2.6 Аппроксимация конвективных членов уравнений Навье-Стокса для несжимаемых течений.
2.7 Аппроксимация конвективных членов уравнений Навье-Стокса для сжимаемых течений
2.8 Аппроксимация конвективных членов уравнений переноса
2.9 Метод DES для расчета несжимаемых течений

2.10 Комбинированный RANS/ILES-метод для расчета сжимаемых течений
2.11 Решение системы разностных уравнений
2.12 Повышение точности методов при расчетах на нерегулярных сетках
2.13 Граничные условия
2.13.1 Входная и выходная границы течения
2.13.2 Граничные условия вдали от струи для затопленных струй
2.13.3 Твердая стенка
2.13.4 Условие периодичности
2.13.5 Граница между блоками расчетной сетки
Глава 3. Расчет несжимаемых турбулентных струйных течений методом DES
3.1 Постановка задачи
3.2 Свободная прямоугольная струя
3.3 Пристеночная струя, истекающая из круглого сопла
Глава 4. Использование комбинированного RANS/ILES-метода для совместного расчета сжимаемых течений в круглых соплах и их струях.
4.1 Постановка задачи
4.2 Исследование влияния параметров потока на срезе круглого сопла на характеристики турбулентности в струе
4.3 Сверхзвуковые струи. Расчетное и нерасчетное истечение
Глава 5. Исследование с помощью RANS/ILES-метода влияния геометрии сопла на течение в струе.
5.1 Коническое шевронное сопло
5.2 Осесимметричное сопло двухконтурного ТРД
5.3 Сопло двухконтурного ТРД с шевронами на сопле газогенератора
5.4 Влияние малых изменений геометрии сопла двухконтурного ТРД на течение в струе
Заключение
Литература

В настоящее время наибольшее распространение для численного моделирования турбулентных течений жидкости и газа получил подход, при котором находится решение осредненных уравнений Навье-Стокса (Reynolds Averaged Navier-Stokes - RANS) с полуэмпирическими моделями турбулентности. Точность результатов, которую можно получить с помощью таких методов, в значительной степени зависит от типа течения. Так, при расчете пограничных слоев отличие экспериментальных и расчетных результатов не превышает нескольких процентов. При расчете струйных течений с помощью RANS точность заметно ниже. Например, интенсивность расширения круглой затопленной струи в расчете с помощью лучших моделей турбулентности и в эксперименте различаются, на 30-300% [1]. Еще хуже модели турбулентности предсказывают многие «тонкие» эффекты, которые наблюдаются в экспериментах при анализе трехмерных струйных течений. В* частности, известно, что при развитии прямоугольной струи смешение, первоначально идет более интенсивно вдоль короткой стороны и поперечный, размер струи в этом направлении становится больше, чем вдоль длинной стороны. Это явление получило название «переворота осей», и его не удается описать с помощью традиционных моделей. Другой интересный эффект наблюдается при распространении круглой струи вдоль стенки. В этом случае смешение и растекание вдоль стенки идет значительно более интенсивно, чем в направлении перпендикулярном к стенке. Традиционные модели не описывают эти эффекты даже качественно, и только весьма сложные и специфические модификации моделей позволяют уловить эти эффекты.
Точный расчет струйных течений играет важную роль в приложениях связанных с авиацией. В первую очередь это относится к выхлопным струям турбореактивных двигателей (ТРД). Для определения зоны безопасного нахождения людей и техники около самолета с работающим двигателем

3.2 Свободная прямоугольная струя
Расчеты течения в свободной прямоугольной струе были выполнены при двух числах Рейнольдса: Яе=2х 103 и 11е=10х 103. Расчетная область имела следующие размеры: длина 50Яо, ширина и высота во входном сечении ЮЛо и 407?о, в выходном сечении ширина и высота были 40Яо- Неравномерная расчетная сетка сгущалась входному сечению в продольном направлении. В поперечном сечении сетка была сгущена к кромкам сопла. По длине струи сетка плавно переходила в близкую к равномерной. Фрагмент расчетной сетки приведен на рис.

При расчете струи с числом Яе=2х Ю3 сетка содержала ЫххЫухМ2 = 80x45x60 = 216000 ячеек. Ось сопла совпадала с положительным направлением оси координат х. Шаг по безразмерному времени АТ =1.0.

Рис. 3.1. Фрагмент расчетной сетки для круглой пристеночной струи.
На рис. 3.2 представлена поверхность С = 0.05 для мгновенного распределения концентрации пассивной примеси. Около среза сопла из-за стационарных граничных условий, и недостаточного разрешения по пространству