DECgroup Inc


Турбулентное обтекание поперечного треугольного цилиндра: эксперимент Volvo

С помощью традиционной методологии URANS на базе полуэмпирических моделей турбулентности семейства k-ε проводится численное исследование турбулентного обтекания поперечного треугольного цилиндра (эксперимент Volvo[1]). Тестируются технологии OpenFOAM® и ANSYS FLUENT®. Приводится детальное трехстороннее сравнение расчетных и экспериментальных данных, как для локальных, так и интегральных параметров течения.

Рис.1. Эскиз экспериментального стенда (a) и общий вид расчетной области (b).

Экспериментальный стенд (рис.1,а) состоит из двух частей: входного патрубка прямоугольного сечения длиной 0.5 м, использующегося для выравнивания течения и контроля уровня турбулентности, и прямого канала длиной 1 м и сечением 0.12 м х 0.24 м. Стенд заканчивается цилиндрическим патрубком большего диаметра. Плохообтекаемое тело в виде поперечного треугольника (с ребром, D=0.04 м) располагается на расстоянии 0.319 м от торца входного патрубка. Эксперимент проводится в атмосферных условиях [1]. Интенсивность турбулентности контролируется в диапазоне 3-4%. Числа Рейнольдса (в качестве характерного линейного масштаба выбирается ребро плохообтекаемого тела) и Маха составляют Re=45000 и М=0.05, соответственно. Детальное описание оптических (LDA) измерений горизонтальной и вертикальной компонент скорости и их пульсаций приводится в [1]. Расчетная область выбирается таким образом, чтобы максимально близко воспроизвести условия физического эксперимента (рис.1,b).

Рис.2. Осредненная по времени продольная составляющая скорости в нескольких сечениях канала: 1 — эксперимент [1]; 2,3 — численные данные, OpenFOAM® и ANSYS FLUENT®, соответственно.

На рис.2 представлены экспериментальная [5] и численная интерферограммы течения. Сдвиговые слои, образующиеся в результате отрыва ламинарного пограничного слоя с верхней и нижней кромок треугольного цилиндра, представляют собой границу, разделяющую основное течение от зоны генерации вихрей. Вихри сходят поочередно с нижней и верхней кромок, и далее последовательно сносятся течением. Важно также заметить, что вторичные вихревые структуры не образуются, что подтверждается как численно, так и экспериментально [5].

Рис.2. Интерферограмма течения: а – эксперимент, б – расчет (OpenFOAM).

На рис.2 приводится осредненная по времени, горизонтальная компонента скорости в нескольких поперечных сечениях канала. Видно, что расчетные данные, полученные с помощью OpenFOAM® и ANSYS FLUENT®, несколько разнятся между собой, что и не удивительно, т.к. в первом случае применяется низкорейнольдсовая k-ε модель Лаундера-Сполдинга [3], а во втором — низкорейнольдсовая модель k-ε Realizable [4]. Несущественные отклонения наблюдаются между расчетными и экспериментальными данными [1].

Рис.3. Визуализация течения с помощью численного шрилен метода.

Численно спрогнозированная частота схода вихрей с задней кромки тела (f = 117 Гц OpenFOAM® и f = 118 Гц ANSYS FLUENT®) достаточно хорошо согласуется с экспериментом [1] (f = 105 Гц). Следует отметить, что помимо низкочастотной нестабильности Кармана-Бенарда, численный эксперимент позволяет воспроизвести и высокочастотную нестабильность Кельвина-Гельмгольца, образующуюся в сдвиговых слоях при отрыве ламинарного пограничного слоя с задней кромки тела (аналогично слоям смешения), хорошо видимую при визуализации с помощью численного шрилен метода [2] (рис.3).

Ссылки::

1. A. Sjunnesson, C. Nelsson, M. Erland, LDA measurements of velocities and turbulence in a bluff body stabilized flame, Tech. rep., Volvo Flygmotor AB, Trollhattan, Sweden (1991)
2. A. Hadjadj and A. Kudryavtsev, Computation and flow visualization in high-speed aerodynamics, J Turbulence, 6 (16), 33-81 (2005)
3. B. Launder, B. Sharma, Application of the energy-dissipation model of turbulence to the calculation of flow near a spinning disc, Letters Heat Mass Transfer, 1, 131–138 (1974)
4. T.-H. Shih, W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, J. Zhu, A new k−ε eddyviscosity model for high Reynolds number turbulent flows - model development and validation, Computers Fluids, 24 (3), 227–238 (1995)
5. T. Nakagawa, Vortex shedding mechanism from a triangular prism in a subsonic flow, J. Fluid Dyn. Research 5, 69–81 (1988)

По мотивам работ::

D.A. Lysenko, I.S. Ertesvåg and K.E. Rian. Testing of OpenFOAM CFD code for plane turbulent bluff body flows within conventional URANS approach // Proceedings: 8th International Conference on CFD in Oil & Gas, Metallurgical and Process Industries, 21-23 June, 2011, Trondheim, Norway.
D.A. Lysenko, I.S. Ertesvåg and K.E. Rian. Turbulent bluff body flows modeling using OpenFOAM technology // MekIT'11, Sixth National Conference on Computational Mechanics, 23-24 May, 2011, Trondheim, Norway.
D.A. Lysenko, I.S. Ertesvåg and K.E. Rian. Turbulent separated flows modeling using OpenFOAM and ANSYS FLUENT technologies in HPC environment // 23rd International Conference on Parallel Computational Fluid Dynamics 2011. May 16-20, 2011, Barcelona, Spain.

Вернуться назад