Скачать презентацию МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ лекция С А Исаев СПб ГУ Скачать презентацию МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ лекция С А Исаев СПб ГУ

26_04_2013Presentation_turb.ppt

  • Количество слайдов: 69

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ (лекция) С. А. Исаев, СПб. ГУ ГА, Санкт-Петербург профессор, доктор инженерии (3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ (лекция) С. А. Исаев, СПб. ГУ ГА, Санкт-Петербург профессор, доктор инженерии (3 года в Ростоке), член экспертного совета РФФИ по информатике (численное моделирование), член нацкома по теплообмену, лауреат премии Правительства РФ 2012 года в области эффективных энергетических устройств и вихревых технологий, лауреат международной премии А. В. Лыкова НАН Белоруссии 2010 г за работу "тепломасообмен в отрывных и вихревых потоках с фазовыми и химическими превращениями" (Индекс цитирования Хирша - 7, работа по фундаментальным проектам РФФИ, Германии, Австралии) "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 1

Темы • Актуальность, книги, цитаты, определения, место в гидромеханике преамбула, ссылки, библиотека теоретических и Темы • Актуальность, книги, цитаты, определения, место в гидромеханике преамбула, ссылки, библиотека теоретических и практических курсов • физический эксперимент: пограничный слой, крупномасштабные вихри, масштаб турбулентности, пульсации скорости • осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, проблема замыкания, уравнение для энергии турбулентности, градиентные модели, фильтрация • полуэмпирические алгебраические, одно-, двух- и многопараметрические дифференциальные модели, модель крупных вихрей, эмпирические константы и как они выбираются, спектры • постановка задач, граничные условия, каталоги моделей, пакетные технологии, верификация, визуализация течения и физических полей (например, температуры), тенденции численных экспериментов расчет физических установок, сжимаемые течения, трехмерные нестационарные отрывные течения "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 2

Турбулентность и моделирование Явления природы и их отображение в физических и математических моделях 1972 Турбулентность и моделирование Явления природы и их отображение в физических и математических моделях 1972 1980 Теория турбулентности 1980 1979 1996 1969 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 3

Моделирование турбулентных течений URANS – Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes DES – Detached Eddy Simulation Моделирование турбулентных течений URANS – Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes DES – Detached Eddy Simulation LES –Large Eddy Simulation DNS – Direct Numerical Simulation Моделирование турбулентности: курсы лекций и 1982 сборники статей D. Wilcox 1982 1986 2001 1984 1998 1983 1994 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 4

Опыты Рейнольдса Опыты Рейнольдса "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 5

Влияние числа Re на лобовое сопротивление цилиндра (классификация Морковина), турбулентная струя, измерения Влияние числа Re на лобовое сопротивление цилиндра (классификация Морковина), турбулентная струя, измерения "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 6

Наблюдения, образы, определение, блок-схема моделирован Наблюдения, образы, определение, блок-схема моделирован "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 7

Уравнения и проблема замыкания Уравнения и проблема замыкания "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 8

Уравнения для k и эпсилон Уравнения для k и эпсилон "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 9

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 10

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 11

Модель пути смешения Прандтля Модель пути смешения Прандтля "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 12

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 13

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 14

Модель Джонсона. Кинга Модель Джонсона. Кинга "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 15

Дифференциальные модели Дифференциальные модели "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 16

Модель Спаларта. Аллмареса Модель Спаларта. Аллмареса "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 17

Диссипативная модель Лаундера. Сполдинга и др. Диссипативная модель Лаундера. Сполдинга и др. "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 18

Модель Колмогорова Модель Колмогорова "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 19

Модель Вилкокса Модель Вилкокса "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 20

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 21

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 22

MSST MSST "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 23

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 24

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 25

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 26

Направления • Создание математического обеспечения решения промышленных задач аэромеханики и теплофизики. Универсальные открытые пакеты Направления • Создание математического обеспечения решения промышленных задач аэромеханики и теплофизики. Универсальные открытые пакеты типа OPEN FOAM, как дополнение к многопроцессорным комплексам (Чебышев, Ломоносов и др. ) и альтернатива коммерческим аналогам • Пакеты на основе концепции расщепления по физическим процессам (процедура коррекции давления): VP 2/3 и Sigma. Flow. Оригинальные многоблочные вычислительные технологии. Интерпретация и развитие моделей турбулентности (URANS+ MSST, LES), кавитации, со свободной границей, неоднородных и многофазных сред с горением и др. • Верификация и тестирование моделей и пакетов. Тенденция развития - компьютерные аналоги экспериментальных стендов • Опыт решения фундаментальных и прикладных задач • Выводы "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 27

RANS&URANS. Пакет VP 2/3(c 1996 г) 20012003 1989 2005 RANS&URANS. Пакет VP 2/3(c 1996 г) 20012003 1989 2005 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 28

Тестовые расчеты: верификация моделей, алгоритмов и программ • Классические примеры: каверна с подвижной крышкой Тестовые расчеты: верификация моделей, алгоритмов и программ • Классические примеры: каверна с подвижной крышкой и круговой цилиндр поперек потока • Примеры из базы экспериментальных данных ERCOFTAC • Специальные эксперименты в аэродинамических трубах, на аэро - и теплофизических стендах и аэробаллистической трассе • Натурные испытания "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 29

VC RANS Modelling • VP 2/3 Verification and validation studies: lid-driven cavity (2 D) VC RANS Modelling • VP 2/3 Verification and validation studies: lid-driven cavity (2 D) "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 30

VC RANS Modelling: тестирование модифицированной MSST учетом поправки кривизны линий тока ( =const) с VC RANS Modelling: тестирование модифицированной MSST учетом поправки кривизны линий тока ( =const) с Конфигурация тестового диффузора с выбранными расчетными сетками: весь канал (a), фрагмент (b) Сравнение рассчитанных с помощью различных моделей турбулентности и измеренных в экспериментах Оби и др. *(слева) и Итона и др. **(справа) профилей продольной составляющей скорости. a – modif MSST; b – new MSST; c – old MSST; d – k- ; e, f – standart, modif SA * Obi S. , Aoki K. and Masuda S. Experimental and computational study of turbulent separated flow in an asymmetric diffuser // Proc. 9 th Symp. on Symp. Turbulent Shear Flows, Kyoto, 1993, P. 305. ** Buice C. U. and Eaton J. K. Experimental investigation of flow through an asymmetric plane diffuser 31 // Report No. TSD-107. Thermosciences Division, Department "Lection", BGTU, SPb, Stanford University, Stanford, CA, USA. August, 1997. of Mechanical Engineering, 26. 04. 2013

Верификация МВТ – VP 2/3 • Поворотный канал Верификация МВТ – VP 2/3 • Поворотный канал "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 32

МВТ – VP 2/3 • Круговая каверна в поворотном канале Re=40000 – 150000 – МВТ – VP 2/3 • Круговая каверна в поворотном канале Re=40000 – 150000 – 2 D Установка Я. Кастро в ун-те Саутгемптона "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 33

Верификация МВТ – VP 2/3 Верификация МВТ – VP 2/3 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 34

Верификация МВТ – VP 2/3 Теплообмен при обтекании траншеи на стенке = 0. 13 Верификация МВТ – VP 2/3 Теплообмен при обтекании траншеи на стенке = 0. 13 2005 MSST Расчет: 1 -5, соответствующие Re=(2. 5 -6. 5) 104, нанесены с шагом 104. Опыт: 6 – Re= 2. 5 104; 7 – 4. 5 104; 8 – 6. 5 104 (Митяков, Сапожников и др. ). "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 35

Верификация МВТ – VP 2/3 Верификация МВТ – VP 2/3 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 36

Supersonic separated flows Figure 7. Supersonic flow around sphere (Re = 105, M = Supersonic separated flows Figure 7. Supersonic flow around sphere (Re = 105, M = 1. 53 and 3): experiment (top) and simulated pressure field (bottom) Figure 8 1 – simulations, 2 and 3 – Ts. AGI experiments, 4 – data by Roshko for the cylinder with the separating Figure 9. The effect of the Mach number on drag coefficient of the sphere: 1 – simulations, 2 – experiment plane in the wake Figure 10. The predicted dependence Cx(M) (solid line) and the shadow image of the flow. Dashed line – measured value for M = 4. 35, Re = 3∙ 106. Calculations of subsonic and supersonic flows past a cylinder, sphere, and droplet (wind tunnel and ballistic exp ex "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 37

Модель Ментера Cxp=0. 328 Cx=0. 482 Cxd=0. 141 Поля плотности M=2. 35 Сравнение методов Модель Ментера Cxp=0. 328 Cx=0. 482 Cxd=0. 141 Поля плотности M=2. 35 Сравнение методов физического и численного моделирования Эксперимент Сxp=0. 334 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 38

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА В ПАКЕТЕ ЦИЛИНДРОВ Жукаускаса) В ВОЗДУШНОЙ И МАСЛЯНОЙ СРЕДАХ (эксп. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА В ПАКЕТЕ ЦИЛИНДРОВ Жукаускаса) В ВОЗДУШНОЙ И МАСЛЯНОЙ СРЕДАХ (эксп. "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 39

2/3 D URANS • Calculations of the unsteady flow past NA Figure 15: Predicted 2/3 D URANS • Calculations of the unsteady flow past NA Figure 15: Predicted (1) and measured (IM MSU) (2) semi-cylinder perimeter distributions of Cp at the zero angle of attack Martinuzzi’s experiment Figure 14: Effect of α and Re on Cx (а) and Cy (b) NACA 0015: 1 – Re=8× 104; 2 – 1. 6× 105; 3 – 3. 6× 105; 4 - 7× 105; 5 – 106; 6 - 2× 106; 7 - 5× 106; 8 – 107. Calculations: 9 – Re = 8× 104; 10 – 105 Figure 16: Comparison of numerical predictions of the distributions of the static pressure coefficient averaged over the period Rz in front of the cube (a) and over the contour (b) and of the longitudinal velocity component across the channel (c) in the "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 mid-section with the experimental data 40

RANS, URANS, LES RANS, URANS, LES "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 41

δ~0. 02 Re>105 δ~0. 02 Re>105 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 42

3 D URANS • Figure 17: The top view - a pattern picture Then 3 D URANS • Figure 17: The top view - a pattern picture Then three-dimensional unsteady flows w Figure 18: Comparison of vortical structures in a median plane and vectors of speed in cross-section x=1. 25 Figure. 19: Сomparative analysis of numerical predictions of the distributions of the averaged over the Cz oscillation period pressure coefficient over the perimeter s in the cube mid-section at different Re with the experimental data "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 43

Расчет обтекания цилиндра (2010) Высота H = 2. 8 δ Cxp Cxf Cx Расчет Расчет обтекания цилиндра (2010) Высота H = 2. 8 δ Cxp Cxf Cx Расчет 1 0. 746 0. 064 0. 81 0. 3 0. 784 0. 056 0. 84 0. 3 0. 73 - - Эксперимент "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 44

Осредненные и пульсационные нагрузки на сооружения Эксперимент в ИМех МГУ (март 2011 г) Re Осредненные и пульсационные нагрузки на сооружения Эксперимент в ИМех МГУ (март 2011 г) Re порядка 105 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 45

"Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 46

Осредненные и пульсационные нагрузки на сооружения Осредненные и пульсационные нагрузки на сооружения "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 47

Осредненные и пульсационные нагрузки на сооружения Осредненные и пульсационные нагрузки на сооружения "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 48

Осредненные и пульсационные нагрузки на сооружения Визуализация пространственных вихревых структур Осредненные и пульсационные нагрузки на сооружения Визуализация пространственных вихревых структур "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 49

IM MSU expanding channel • 1998 – experimental setup assembled • 2004 – 2005 IM MSU expanding channel • 1998 – experimental setup assembled • 2004 – 2005 – new experimental data for VC flows with CB suction "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 50

3 D URANS 3 D URANS "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 51

3 D URANS Figure 20: Зависимость Rx и Rz от t на периоде колебаний 3 D URANS Figure 20: Зависимость Rx и Rz от t на периоде колебаний Rz. a – i – • выбранные моменты Детальный анализ выполнен для Figure 21: Колебания u(z, y, t)-поля при x=0. Figure 22: Картина растекания по стенке "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 канала Figure 23: Поле пульсаций давления 52

URANS Figure 24: Сравнение численных предсказаний u(y) (a-c) и падения давления (d) в срединном URANS Figure 24: Сравнение численных предсказаний u(y) (a-c) и падения давления (d) в срединном сечении с экспериментальными данными: a – весь канал; b – около дна каверны; c – область сдвигового слоя "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 53

URANS+MSST Figure 4. Картина экспериментальной установки Institute of Mechanics of the Moscow State University URANS+MSST Figure 4. Картина экспериментальной установки Institute of Mechanics of the Moscow State University (a), его компьютерный аналог (b) с 3 D многоблочной сеткой (c), и двумерной сеткой (d) Figure 5: Сравнение распределений Ср на верхней стенке канала. a z=0; b – 2. Без отсоса Плоские и пространственные течения в расширяющемся канале с вихревой ячейкой при наличии щелевого отсоса (У Figure 6: Сравнение картин течения и распределений давления без (and, b) и с (c, "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 d) отсосом 54

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ДВИЖЕНИИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА В УСТАНОВКЕ CIRA (Re=1300000) Donnelli и др. Vortex. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ДВИЖЕНИИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА В УСТАНОВКЕ CIRA (Re=1300000) Donnelli и др. Vortex. Cell 2050 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 55

Многоблочная расчетная сетка в канале с установленным на стенке рабочей части профилем. a вся Многоблочная расчетная сетка в канале с установленным на стенке рабочей части профилем. a вся расчетная область; b – фрагмент сетки около профиля в рабочей части; c – фрагмент сетки в окрестности носика профиля BGTU, SPb, 26. 04. 2013 "Lection", 56

Контур канала с профилем (a), траектории сходимости решения двумерной задачи (b), формирование автоколебательного режима Контур канала с профилем (a), траектории сходимости решения двумерной задачи (b), формирование автоколебательного режима обтекания профиля в канале при Re=104 (c) и 1. 3× 106 (d) Сравнение Cp по контуру (a), картин вихревой вязкости 2 D (b) и 3 D (c) при Re=1. 3× 106 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 57

Оценка влияния Re Сравнение полей p давления с картинами обтекания Re=104 (a), 105 (b), Оценка влияния Re Сравнение полей p давления с картинами обтекания Re=104 (a), 105 (b), 5× 105 (c), 1. 3× 106 (d) "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 58

Верификация МВТ – VP 2/3 Верификация МВТ – VP 2/3 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 59

Верификация МВТ – VP 2/3 Сравнение расчетов по VP 2/3 и FLUENT сферическая лунка Верификация МВТ – VP 2/3 Сравнение расчетов по VP 2/3 и FLUENT сферическая лунка на плоскости = 0. 2; r=0. 1; Re=2. 5 104 МВТ и адаптивные сетки (2005) "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 60

Grids /Isaev S. A. , Kornev N. V. , Leontiev A. I. , Hassel Grids /Isaev S. A. , Kornev N. V. , Leontiev A. I. , Hassel E. Influence of the Reynolds number and the spherical dimple depth on the turbulent heat transfer and hydraulic loss in a narrow channel // Int. J. Heat Mass Transfer. 2010. Vol. 53. Issues 1 -3. P. 178 -197. / Spherical dimple at the wall of the narrow channel with its upper wall taken off (a) and multiblock grids (b): 1 – rectangular grid for the channel; 2 – rectangular grid covering the dimple and the region of its near wake; 3 – curvilinear grid matched with the dimple surface, cylindrical; 4 – oblique, near axis "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 61

Experimental methods of investigations LDV Measurements, Pressure measurements Measurement section Experimental methods of investigations LDV Measurements, Pressure measurements Measurement section "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 62

Results Finding: Observation of dominating asymmetric Vortex Structures URANS: steady asymmetric vortex inclined at Results Finding: Observation of dominating asymmetric Vortex Structures URANS: steady asymmetric vortex inclined at ± 45 deg (Isaev, Kornev, Leontiev, Hassel (2009) Int. J. Heat and Mass Transfer) LES: unsteady asymmetric vortex switching between ± 45 deg "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 63

Сравнение результатов по LES (OPEN FOAM) и (U)RANS (VP 2/3) для глубокой сферической лунки Сравнение результатов по LES (OPEN FOAM) и (U)RANS (VP 2/3) для глубокой сферической лунки Heat and hydraulic efficiency is evaluated on bounded area (a) and cross sections of a channel 1 and 2 are used for hydraulic losses evaluation Comparison of Cp obtained by RANS and LES (b) "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 64

Сравнение интегральных характеристик по теплообмену и гидравлическим потерям для различных моделей турбулентности RANSMSST Standart Сравнение интегральных характеристик по теплообмену и гидравлическим потерям для различных моделей турбулентности RANSMSST Standart RANSMSST Our Modif. RANSMSST Menter Modif. URANSMMST Our Modif. SASMSST Num/Numpl 1. 097 1. 101 1. 107 1. 099 1. 056 ζm/ ζmpl 1. 218 1. 216 1. 217 1. 173 Spherical dimple D=0. 26 Re=40000 Прямоугольная окрестность 2. 5× 1. 5 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 65

Δ=0. 26 *Terekhov V. I. , Kalinina S. V. und Mshvidobadse Y. M. (1997) Δ=0. 26 *Terekhov V. I. , Kalinina S. V. und Mshvidobadse Y. M. (1997) „Heat transfer coeffcient and aerodynamic resistance on a surface with a single dimple. “ Enhanced Heat Transfer. Vol. 4, pp. 131 -145 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 66

Δ=0. 13 (отрывное течение и теплообмен при нагреве луночного пятна – q=const) эксперимент ИТФ Δ=0. 13 (отрывное течение и теплообмен при нагреве луночного пятна – q=const) эксперимент ИТФ СО РАН Re=190000 "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 67

Расчет сверхзвуковых струй Сравнение экспериментальных и расчетных картин полей числа Маха для сверхзвуковых струй, Расчет сверхзвуковых струй Сравнение экспериментальных и расчетных картин полей числа Маха для сверхзвуковых струй, а также распределений замеренного трубкой Пито и рассчитанного давления (1 –второй; 2 - первый порядок аппроксимации) в поперечных сечениях струи М=1. 08 (ИТПМ СО РАН) "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 68

заключение • Моделирование турбулентности – одно из притягательных занятий в науке – огромное поле заключение • Моделирование турбулентности – одно из притягательных занятий в науке – огромное поле непознанного • Соединение глубокого физического содержания и владения современными вычислительными технологиями • Ни один из интересных физических эффектов не может быть понят без введения турбулентного механизма "Lection", BGTU, SPb, 26. 04. 2013 69