Численное исследование трехмерного течения и теплообмена в месте сопряжения цилиндрических тел с пластиной и в приторцевых областях турбинных решеток

• Автор: Левченя, Александр Михайлович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Содержание
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЬШ СРЕДСТВА
1Л Определяющие уравнения
1.2 Модели турбулентности
1.2.1 Модель Спаларта-Аллмараса
1.2.2 Низкорейнольдсовая версия модели Уилкокса
1.2.3 SST модель Ментера
1.2.4 Модель Дурбина
1.2.5 Стандартная k-s модель
1.3 Основы численной схемы и характеристика программного комплекса SINF
1.3.1 Пространственная дискретизация
1.3.2 Программная реализация
1.4 Коммерческие гидродинамические пакеты
2 ТЕЧЕНИЕ И ТОРЦЕВОЙ ТЕПЛООБМЕН В МЕСТЕ СОЧЛЕНЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ И ГЛАДКОЙ ПЛАСТИНЫ
2.1 Обзор литературы
2.1.1 Предварительные замечания
2.1.2 Экспериментальные исследования
2.1.3 Расчетные исследования
2.1.4 Численные исследования нестационарности подковообразных вихрей
2.2 Ламинарное течение вблизи кругового цилиндра
2.2.1 Постановка задачи
2.2.2 Вычислительные аспекты задачи
2.2.3 Результаты расчетов
Выводы
2.3 Ламинарное течение вблизи цилиндра, снабженного обтекателем
2.3.1 Постановка задачи
2.3.2 Вычислительные аспекты
2.3.3 Результаты расчетов
Выводы
2.4 Турбулентное течение около цилиндра, снабженного обтекателем
2.4.1 Постановка задачи
2.4.2 Вычислительные аспекты
2.4.3 Влияние выбора модели турбулентности
2.4.4 Исследование чувствительности к сетке
Выводы

3 ТЕЧЕНИЕ И ТОРЦЕВОЙ ТЕПЛООБМЕН В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МОДЕЛЯХ ТУРБИННЫХ РЕШЕТОК
3.1 Обзор литературы
3.2 Низкоскоростное течение в решетке рабочих лопаток (решетка Лэнгстона)
3.2.1 Постановка задачи
3.2.2 Вычислительные аспекты задачи
3.2.3. Результаты расчетов
Выводы
3.3 Низкоскоростное течение в решетке утолщенных сопловых лопаток
3.3.1 Постановка задачи
3.3.2 Вычислительные аспекты задачи
3.3.3 Результаты расчетов
Выводы
3.4 Трансзвуковое течение в решетке рабочих лопаток
3.4.1 Постановка задачи
3.4.2 Вычислительные аспекты
3.4.3 Результаты расчетов
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Ьх - ширина (осевая хорда) решетки,
Ср - теплоемкость при постоянном давлении,
d - диаметр цилиндра,
Н - форм-параметр,
к - кинетическая энергия турбулентности,
М - число Маха,
Р - давление,
Рг - число Прандтля,
ч - тепловой поток,
Q - Q-критерий [Hunt, 1988],
Re - число Рейнольдса,
S - тензор скоростей деформаций,
St - число Стантона,
t - время,
Т - температура,
и - скорость,
х, у, 2- декартовы координаты,
И - безразмерное расстояние от стенки до первой расчетной точки,
А* - характерный размер ячейки расчетной сетки в области образования основного подковообразного вихря,
ё - толщина пограничного слоя,
ё* - толщина вытеснения пограничного слоя,
<5**- толщина потери импульса пограничного слоя,
є - скорость диссипации,
ко - расстояние от оси основного подковообразного вихря до передней кромки
препятствия,
As ■ расстояние от точки отрыва до передней кромки препятствия,
м - динамический коэффициент вязкости,
р - плотность,
V - кинематический коэффициент вязкости,
0) - характеристическая скорость диссипации,
Q - завихренность,
Индексы:
eff - эффективное значение,

f и эта модель признана авторами работы наиболее точной, вычислительно эффективной и простой в использовании.
2.1.4 Численные исследования нестационарности подковообразных вихрей
В упомянутых в Разделе 2.1.2. расчетных работах при моделировании турбулентного течения использовались осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS) во всей области течения. Принципиальным ограничением данной методики даже в случае применения ее к моделированию нестационарного течения (URANS - Unsteady RANS) является неспособность воспроизвести в расчетах экспериментально наблюдаемые особенности нестационарного поведения подковообразных вихревых структур: колебания основного подковообразного вихря и чередование двух его характерных состояний (бимодальное поведение).
Многолетние исследования подковообразных вихрей ведутся сотрудниками колледжа IIHR (Гидродинамика и Инженерия) университета Айова, США. Работы ориентированы на гидроинженерные приложения, в частности, проектирование мостовых опор.
В работе [Constantinescu, 2004] представлены результаты расчетов нестационарного течения в области сочленения кругового цилиндра и гладкой пластины при относительно небольшом значении Re = 5 ООО. Расчеты турбулентного течения с использованием расчетного кода внутреннего использования выполнены по методике LES (Large Eddy Simulation - моделирование крупных вихрей). Рассмотрены два варианта постановки задачи, отличающиеся граничными условиями на входе. В первом варианте расчетов на входной границе задан стационарный профиль скорости, соответствующий ламинарному течению (профиль Блазиуса). Во втором варианте поля на входе соответствуют предварительно рассчитанному по методу LES полностью развитому турбулентному течению в канале (с учетом флуктуаций величин). Безразмерный шаг по времени равен 0.002. Кроме того, выполнены дополнительные RANS-расчеты на пакете FLUENT с использованием модели турбулентности SST Ментера.
При анализе результатов основное внимание в работе уделено визуализации нестационарных подковообразных вихрей в виде распределений линий тока в плоскости симметрии. Применение авторского расчетного кода показало, что в ламинарном течении вихревая система перед цилиндром характеризуется регулярным исходом небольших вихрей от места отрыва и их движением к цилиндру, где вихри сливаются с основным подковообразным вихрем. В случае турбулентного течения (метод LES) осцилляции основного подковообразного вихря имеют хаотический