Введение к работе
Актуальность работы. Магистральным направлением развития научных исследований в области моделирования турбулентных струй, следов, многофазных потоков является применение методов вычислительной гидроаэродинамики, основы которой заложены отечественными школами Белоцерковского О.М., Белоцерковского СМ., Волощука В.М., Лифанова И.К., Нигматулина Р.И., Самарского А.А., Тихонова А.Н., и зарубежными учеными Андерсеном Д., Таннехилом Дж., Плетчером Р., Роучем П. Моделирование пылегазовых потоков в системах аспирации является одним из разделов механики грубодисперсных аэрозолей. Особенностью моделирования таких процессов является учет многосвязности области, наличия разрезов, приточных турбулентных струй, вытяжных отверстий, отрыва потока, наличия вихревых нестационарных структур и твердых частиц. Основополагающими работами в этой отрасли являются труды Бошнякова Е.Н., Голышева A.M., Зарипова Ш.Х., Логачева И.Н., Минко В.А., Нейдина В.В., Нейкова О.Д., Олифера В.И., Позина Г.М., Посохина В.Н., Талиева В.Н., Шапталы В.Г., Шепелева И.А., Шумилова Р.Н. В частности, представляет интерес исследовать математические модели процессов отрыва потока в щелевых неплотностях аспирационных укрытий и вихревых течений внутри него, где проблемой является адекватность описания пылегазовых течений в многосвязных областях с несколькими разрезами. С точки зрения практики это необходимо для проектирования эффективных аспирационных укрытий сниженной энергоемкости. В работах Логачева К.И., Пузанка А.И., Аверковой О.А. для расчета течений в таких областях использовалась комбинация методов граничных интегральных уравнений и метода дискретных вихрей, что не позволило описать отрыв течения с тел, находящихся внутри расчетной области. Представляется целесообразным этот недостаток преодолеть, а также исследовать адекватность различных моделей для описания отрывных и вихревых течений на входе в аспирационное укрытие и внутри него.
Результаты научных исследований, представленных в диссертационной работе, получены в ходе выполнения гранта Президента РФ МД-5015.2006.8 «Численное моделирование вихревых пылегазовых течений в системах вентиляции промышленных предприятий» (2006-2007), гранта РФФИ №05-08-01252а «Аэродинамика нестационарных пылегазовых потоков в системах аспирации» (2005-2007), гранта РФФИ №08-08-13687-офи_ц «Разработка и создание лабораторного образца аспирационного укрытия сниженной энергоемкости» и международной обменной программы Fulbright, что подтверждает актуальность выполненного диссертационного исследования.
Цель работы: разработать и исследовать математические модели пылевоздушных потоков в аспирационном укрытии, а также отрывных течений на входе в их неплотности.
Для достижения цели поставлены следующие задачи.
На основе метода дискретных вихрей разработать математическую модель и компьютерную программу для расчета вихревых течений в аспирационном укрытии со щелевой неплотностью, оборудованной комплексом козырьков.
Исследовать математические модели турбулентных пылегазовых потоков на основе осредненного по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes) и нестационарного уравнения Навье-Стокса с моделированием влияния вихрей подсеточного масштаба методом крупных вихрей (Large Eddy Simulation - LES) в аспирационном укрытии.
Произвести анализ зависимости времени вычислений для заданной геометрии аспирационного укрытия от количества процессоров для оценки эффективности параллельных вычислений во Fluent на суперкомпьютерах с кластерной архитектурой.
4. В рамках теории струй идеальной несжимаемой жидкости
разработать и исследовать математическую модель отрыва потока на входе в
щелевую неплотность с козырьком.
5. Произвести сравнительный анализ расчетов, полученных в рамках
различных математических моделей отрыва потока с острой кромки
козырька, установленного на входе в щелевую неплотность аспирационного
укрытия, вихревых течений внутри него и экспериментальными данными.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. На основе метода дискретных вихрей и теоремы Томпсона
разработана математическая модель и компьютерная программа расчета
вихревых течений в аспирационном укрытии со щелевой неплотностью,
оборудованной произвольным количеством козырьков, отличающаяся от
существующих учетом множества разрезов внутри расчетной области, с
которых происходит сход вихревой пелены.
2. Разработана математическая модель и ее реализация в среде Maple
отрыва потока с острой кромки козырька, установленного на входе в
щелевую неплотность аспирационного укрытия, обладающая в отличие от
других возможностью выявить влияние длины козырька на толщину струи на
бесконечности, скорость срыва потока и коэффициент местного
сопротивления.
Выполнен сравнительный анализ математических моделей основанных на стандартной модели к-г турбулентности, осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, неразрывности и фильтрованных нестационарных уравнений Навье-Стокса и неразрывности для описания трехмерных полей скоростей, давления и динамики пьшевых частиц разных фракций внутри аспирационного укрытия.
Исследованы математические модели двумерных воздушных течений для построения закономерностей изменения полей скоростей и давления в аспирационных укрытиях разных геометрических и кинематических параметров и со щелевыми неплотностями различного конструктивного оформления.
Используемые методы. Для исследования использовались натурный и вычислительный эксперимент, метод дискретных вихрей, численное решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, метод крупных вихрей и метод Н.Е.Жуковского.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована использованием результатов фундаментальных исследований в области численной аэродинамики, согласованием расчетных величин, полученных разными методами, и результатов как специально проведенных экспериментальных исследований, так и результатов других авторов.
Практическая значимость работы состоит в разработанной компьютерной программе для исследования динамики вихревых течений в аспирационном укрытии со щелевой неплотностью, снабженной различными козырьками.
Установлены закономерности отрыва струи на входе в щелевую неплотность с козырьком и предложены меры по снижению энергоемкости аспирационного укрытия за счет эффекта отрыва струи.
Результаты исследований используются в учебном процессе Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова при проведении лекционных и лабораторных занятий курсов «Математическое моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции», «Компьютерное моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции».
1. Апробация работы. Отдельные результаты работы и диссертационного исследования в целом доложены на: международной научно-методической конференции «Опыт, проблемы, перспективы и качество высшего инженерного образования» (Белгород, Россия, 2006); международном симпозиуме «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики» (Лазурное, Украина, 2007); международном симпозиуме «Экология 2007» (Бургас, Болгария, 2007); международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, Россия, 2007); международной научно-технической интернет-конференции «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации» (Белгород, Россия, 2008); 21 International Conference on Parallel Computational Fluid Dynamics. Parallel CFD ( Moffett Field, California, USA, 2009); The 34th Dayton-Cincinnati Aerospace Sciences Symposium, (Dayton, Ohio, USA, 2009); международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23» (Саратов, Россия, 2010), научно-методических семинарах кафедры прикладной математики БГТУ им.В.Г.Шухова.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из которых 4 в изданиях рекомендованных ВАК РФ по научной специальности диссертационной работы [8,11-13].
Личный вклад автора заключается в постановке задач, их решении, в разработке математических моделей, их вычислительных алгоритмов [1-3,11,12,14], результатов компьютерного моделирования [2-6,8-13], обработке
экспериментальных исследований [11,12,14]. Участие ведущих соавторов публикаций: д.т.н., профессора К.И.Логачева, д.т.н., профессора И.Н.Логачева, к.т.н. О.А.Аверковой, к.т.н. А.И.Пузанка, J.P.Strodtbeck, J.M.McDonough заключалось в постановке задач, реализации вычислительных алгоритмов в виде компьютерных программ, экспериментальных исследованиях, обсуждении и интерпретации результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 140 наименований. Общий объем диссертации составляет 156 страниц, включая 59 рисунков, 2 таблиц и приложения.
