Расчет турбулентных пристенных течений с использованием зонного RANS-LES подхода с объемным источником турбулентных пульсаций

• Автор: Грицкевич, Михаил Сергеевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Обзор методов расчета пристенных течений с использованием зонных RANS-LES подходов
1.1 Создание турбулентного контента при переходе между RANS и LES подобластями
1.1.1 Методы рециклинга турбулентности
1.1.2 Вспомогательный расчет
1.1.3 Методы создания синтетических турбулентных пульсаций
1.2 Моделирование турбулентности в RANS подобласти
1.3 Моделирование турбулентности в LES подобласти
1.3.1 Методы расчета турбулентных течений с массированным отрывом
1.3.2 Методы расчета присоединенных турбулентных течений
2 Описание предложенного метода
2.1 Определяющие уравнения в ОИТ подобласти
2.2 Определяющие уравнения в LES подобласти
2.2.1 Определение линейного масштаба турбулентности в первоначальной формулировке SST-IDDES подхода [174,223]
2.2.2 Определение линейного масштаба турбулентности в
модифицированной формулировке SST-IDDES подхода
3 Описание вычислительного алгоритма
3.1 Решение определяющих уравнений
3.2 Выбор параметров вычислительного алгоритма для проведения LES расчетов
3.3 Дискретный аналог объемных источников в ОИТ подобласти
4 Тестирование предложенного метода
4.1 Автономное тестирование модифицированного SST-IDDES подхода

4.1.1 Стационарное течение в пограничном слое на плоской пластине
4.1.2 Периодическое течение в плоском канале
4.1.3 Течение в канале с обратным уступом
4.1.4 Периодическое течение в канале с холмообразным сужением
4.2 Комплексное тестирование всех элементов разработанного зонного КАМ8-ЬЕ8 подхода
4.2.1 Вырождение однородной турбулентности за решеткой
4.2.2 Развитое течение в плоском канале
4.2.3 Течение в пограничном слое на плоской пластине
5 Применение предложенного метода для расчета сложных пристенных течений
5.1 Обтекание выпуклости в квадратном канале
5.2 Обтекание гидрокрыла с отрывом вблизи задней кромки
5.3 Течение в Т-образном соединении двух труб
Заключение
Список цитируемых источников
Приложение А Формулировка генератора синтетической турбулентности
Приложение Б Формулировка метода вихрей с использованием объемного источника турбулентности

Введение
Проблема расчета турбулентных течений является одной из ключевых в механике жидкости и газа и на протяжении многих десятилетий (начиная с классических работ О. Рейнольдса, опубликованных в конце XIX века) находится в центре внимания специалистов во всем мире. Тем не менее, в силу своей исключительной сложности, эта проблема остается до конца нерешенной вплоть до наших дней.
Среди многочисленных подходов к моделированию турбулентных течений, известных в настоящее время, наибольшее применение в инженерной практике находят подходы, базирующиеся на решении сформулированных Рейнольдсом в 1895 г. и получивших его имя осредненных по времени уравнений Навье-Стокса (Reynolds Averaged Navier-Stokes или RANS). Эти подходы являются достаточно экономичными, однако используемые для замыкания RANS полуэмпирические модели турбулентности не универсальны и во многих случаях не позволяют достичь приемлемой для практики точности расчета. Кроме того, по самой своей природе, они неприменимы для решения задач аэроакустики, аэроупругости и других задач, в которых информация о нестационарных характеристиках турбулентности играет принципиальную роль.
Единственной радикальной альтернативой RANS является метод моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation или LES). Этот метод, в принципе, обеспечивает высокую точность расчета любых турбулентных течений. Однако для сложных пристенных течений при высоких числах Рейнольдса, представляющих наибольший интерес, необходимые для проведения LES вычислительные ресурсы очень велики, и даже по самым оптимистичным прогнозам относительно развития вычислительной техники широкое практическое использование LES ожидается не ранее середины нынешнего века.
В связи с этим в последние годы интенсивно развиваются так называемые «зонные» RANS-LES методы, сочетающие в себе высокую точность LES и экономичность RANS подходов. Это достигается путем использования LES

использовалась для определения трения на стенке, на основе которого формулировались граничные условия для LES области.
Впоследствии, данный подход получил развитие в работах [198-206].
Так, в работе [199] равновесные пристенные функции использовались для связи теплового потока на стенке с турбулентным теплопереносом.
В работе [200] использовалась модификация подхода [197], в которой учитывался наклон вытянутых структур в пристенной области, что приводило к улучшению результатов по сравнению с первоначальной формулировкой.
В работе [201] аналогичный подход использовался для расчета развитого течения в канале при различных числах Рейнольдса, при этом результаты расчетов хорошо согласовывались с экспериментальными данными и данными DNS.
В работе [202] для определения напряжений трения использовался степенной закон стенки, соединенный с линейным профилем около стенки.
В работе [203] было выведено аналитическое выражение для напряжений трения, при этом полученные для течения в канале результаты хорошо согласовались с результатами разрешенного до стенки LES.
В работе [204] аналогичный подход использовался для расчета обтекания задней кромки крыла, при этом полученные результаты хорошо согласовывались с разрешенным до стенки LES в области нулевого или благоприятного градиента давления, однако в области неблагоприятного градиента давления течение предсказывалось неточно.
Следует отметить, что применение методов, основанных на равновесных пристенных функциях, является обоснованным только для геометрически простых течений, в которых напряжения трения могут быть вычислены на основе закона стенки, а их применение к более сложным течениям приводит к значительным погрешностям.
Принципиально другой подход к приближенной постановке граничных условий был предложен в работах [207,208], где было предложено использовать двуслойные модели (Two-Layer Model или TLM). Идея таких моделей