DECgroup Inc


Расчет нестационарного обтекания кубика на стенке узкого канала с помощью URANS и модели турбулентности Спаларта-Аллмареса

Численное моделирование аэродинамических характеристик различных зданий и сооружений (а также прогнозирование локальной погоды и исследование химического состава воздуха в масштабе микрорайона, города и т.д.) — является достаточно трудо- и ресурсоемкой задачей из-за конструктивных особенностей строительных объектов, имеющих, как правило, сложную геометрическую форму, а также из-за сложного нестационарного течения, образующегося в результате их обтекания. Наличие розы ветров предполагает выполнение не единичного, а целого ряда расчетов. Интерференция же спектра различных вихревых структур и масштабов между различными объектами еще более усложняет поставленную задачу. Поэтому точное моделирование предполагает использование эффективного, хорошо апробированного и верифицированного математического аппарата с привлечением высокопроизводительных вычислений.

В качестве примера можно продемонстрировать турбулентное обтекание одиночного строительного объекта, имеющего форму куба. Данная задача представляет особый интерес для тестирования современных расчетных алгоритмов вычислительной гидродинамики. В этом случае течение имеет автоколебательный характер и отличается сложной вихревой структурой. Отрыв потока начинается перед строением и далее развивается с его фронтовой верхней грани и на боковых стенках. Расчетная область выбирается исходя из условий проведения физического эксперимента [1] (рис. 1).

Рис.1. Схема расчетной области (а), неструктурированные тетраэдральная (б,г) и полиэдральная (в,д) конечно-элементные сетки в центральном продольном сечении (б, в) и на нижней стенке канала (г, д).

Экспериментальные данные, с которыми сравниваются результаты численных исследований, получены Мартинуццы в 1992г. в его докторской диссертации [1], и в настоящее время введены в банк данных Европейской ассоциации по исследованию течений, турбулентности и горения (ERCOFTAC) [2].

В качестве рассматриваемых интегральных характеристик осредненного отрывного течения около куба выбираются местоположение передней седловой точки S (Xf), соответствующей положению присоединенного подковообразного вихря, размеры тылового присоединенного N (Xr1) и отсоединенного R (Xr2) вихрей (рис. 2). Как следует из представленной информации, в данном численном эксперименте удается правильно идентифицировать основные крупномасштабные структурные элементы: присоединенные передний F вихрь, отрывную рециркуляционную зону за кубом R, боковые E и присоединенный верхний T вихревые структуры, а так же аркообразную вихревую структуру B (рис.2). Дополнительно в расчетах выявляется тыловой присоединенный вихрь N, который отсутствует в результатах визуализации экспериментальных данных Мартинуццы, но также получается в численных исследованиях.

Рис.2. Сравнение осредненных по времени картин растекания жидкости на нижней поверхности (а,в) и в срединном сечении (б,д). а,б — эксперимент и в,г — расчет.

Ссылки::

1. H. J. Hussein and M. Martinuzzi, Energy balance for turbulent flow around a surface mounted cube placed in a channel, Phys. Fluids, 8 (3), 764–780 (1996).
2. http://cfd.me.umist.ac.uk/ercoftac/index.html

По мотивам работ::

S.A. Isaev and D.A. Lysenko, Transient CFD analysis of the fully developed turbulent channel flow around a single surface-mounted cubical obstacle based on URANS methodology and Spalart-Allmaras turbulence model, J Eng. Phys. Thermophys, 82 (3), 488-495 (2009).
Д.А. Лысенко, Сопоставительный анализ результатов численого моделирования турбулентного течения в канеле с вмонтированным в стенку кубом на основе традиционной методологии URANS и модели крупных вихрей // Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева. Т.2. – М.: МЭИ. 2007. CC.210-213.

Вернуться назад