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

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 только в ограниченных областях потока, где RANS методы неточны или недостаточно информативны, и применения RANS в остальной части потока. Одной из наиболее сложных проблем, возникающих при построении зонных подходов, является проблема создания искусственных турбулентных пульсаций («турбулентного контента») между RANS подобластью и находящейся от нее вниз по потоку LES подобластью. Это необходимо для исключения или, по крайней мере, сокращения переходной области, в которой, благодаря использованию LES, должны сформироваться реальные турбулентные структуры. Несмотря на то, что решению данной проблемы посвящено большое число работ, известные в настоящее время методы создания турбулентного контента на границе между RANS и LES подобластями обладают теми или иными существенными недостатками. Так, большинство методов либо не являются достаточно универсальными, либо не позволяют создавать турбулентный контент с удовлетворительной точностью. Кроме того, многие из существующих методов создания турбулентного контента невозможно внедрить в коммерческие коды общего назначения, что значительно сужает возможности их применения для решения инженерных задач. В связи с этим задача создания гибких и эффективных методов генерации искусственной турбулентности при переходе между RANS к LES подобластями в рамках зонных RANS-LES подходов к моделированию турбулентных течений, решению которой посвящена диссертация, по-прежнему, является весьма актуальной и важной задачей вычислительной аэродинамики. Анализ литературы по данному вопросу (см. главу 1) свидетельствует о том, что эту задачу можно решить путем добавления в исходные уравнения нестационарных объемных источников.

Таким образом, целью настоящей работы является создание и всестороннее тестирование достаточно точного и универсального (допускающего возможность внедрения в рамках различных, в том числе, коммерческих CFD кодов общего назначения) метода генерации турбулентного контента для расчета пристенных турбулентных течений в рамках зонных RANS-LES подходов.

Конкретные задачи работы заключаются в следующем:

1. Разработка метода создания турбулентного контента с использованием идеи добавления в исходные уравнения нестационарных объемных источников.

2. Разработка зонного RANS-LES подхода на основе предложенного метода создания турбулентного контента.

3. Внедрение разработанного зонного RANS-LES подхода в CFD код общего назначения ANSYS-FLUENT и выбор наиболее подходящего вычислительного алгоритма для проведения расчетов.

4. Всестороннее тестирование разработанного подхода путем проведения расчетов канонических турбулентных течений.

5. Демонстрация эффективности предложенного подхода на примере расчета сложных пристенных течений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый гибкий и эффективный метод создания искусственных турбулентных пульсаций в произвольной области потока, базирующийся на идее добавления в уравнения переноса импульса и кинетической энергии турбулентности нестационарных объемных источников.

2. На основе этого метода построен зонный RANS-LES подход для расчета пристенных турбулентных течений, допускающий возможность внедрения в современные CFD коды общего назначения. Наряду с методом создания турбулентного контента, существенным новым элементом предложенного зонного RANS-LES подхода является предложенная модификация гибридной модели IDDES, используемая для описания течения в LES подобласти.

Практическая ценность работы заключается в том, что благодаря своей гибкости и эффективности предложенный зонный RANS-LES подход может использоваться для решения сложных прикладных задач гидрои аэродинамики при приемлемых (вполне доступных в настоящее время) вычислительных затратах. Об этом свидетельствует, в частности, тот факт, что с его использованием в диссертации была успешно решена задача о течении в Т-образном соединении двух труб (см. раздел 5.3).

Все расчеты, представленные в работе, выполнены с использованием кода общего назначения ANSYS-FLUENT, прошедшего широкое тестирование в многочисленных расчетных исследованиях по моделированию турбулентных течений. Физическая адекватность и корректность реализации новых элементов разработанного метода подтверждаются систематическим сопоставлением полученных с его помощью результатов с экспериментальными данными, эмпирическими корреляциями и с результатами численного моделирования, известными из литературы.

Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

Заключение

.