Введение к работе
Актуальность проблемы. Отрывные течения и, в частности, управление организованными и самоорганизующимися крупномасштабными вихревыми структурами продолжают привлекать внимание гидромехаников на рубеже XX-XXI веков. Большую роль в анализе этой классической, фундаментальной проблемы играют постоянно прогрессирующие методы вычислительной гидродинамики (CFD), опирающиеся на эволюцию компьютерных систем, разработку и апробацию современных математических моделей процессов переноса, а также эффективные и высокоточные численные алгоритмы. Индустриальный этап развития CFD характеризуется созданием и широким распространением универсальных и специализированных пакетов прикладных программ (кодов), предназначенных для решения широкого круга прикладных и эксплуатационных задач аэрогидромеханики и теплофизики. Среди них следует отметить, прежде всего, зарубежные коммерческие пакеты типа Fluent, Star CD, CFX, a также отечественные специализированные пакеты Flow Vision, SINF, VP2/3. Одна из тенденций развития вычислительной гидродинамики связывается с параллельными расчетами на многопроцессорных компьютерах.
Прогресс в численном моделировании позволил даже на однопроцессорных компьютерах средней мощности (типа PC) рассчитать с приемлемой точностью пространственные стационарные отрывные и двумерные нестационарные вихревые течения в многосвязных областях сложной геометрии. В результате стала возможной идентификация струйно-вихревых структур пространственных отрывных зон. Актуальны задачи управления потоками с генерацией крупных вихрей. Анализ вихревых и струйных механизмов совершенствования аэрогидродинамических и теплообменных характеристик объектов различного назначения находится в центре внимания работы. Одной из ее актуальных проблем также является верификация и модификация полуэмпирической модели переноса сдвиговых напряжений Ментера для расчета циркуляционных течений.
Проблематика диссертации находится в русле приоритетных направлений развития науки и техники, определенных согласно постановления правительства РФ от 21 июля 1996г (1. информационные технологии и электроника; 1.1. многопроцессорные ЭВМ с параллельной архитектурой; 1.6. системы математического моделирования; 5. транспорт; 5.1. авиационная и космическая техника с использованием новых технологических решений, включающих нетрадиционные компоновочные схемы; 6. топливо и энергетика; 6.16. энергосберегающие технологии межотраслевого применения). Она поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (в рамках проектов №№ 94-02-04092; 96-02-16356; 99-02-16745; 02-02-17562; 05-02-16184; 96-01-00298; 99-01-00722; 02-01-01160; 00-02-81045; 02-02-81035; 04-02-81005; 95-01-00728; 98-01-00432; 96-01-01290; 99-01-01150; 02-01-00670; 05-01-00162).
Цель исследования:
- разработать многоблочные вычислительные технологии (МВТ) для расчета многомерных отрывных течений вязкой несжимаемой жидкости в много-связных областях криволинейной геометрии с использованием разномасштаб-
' -4- :;, ;
пых, пересекающихся,1 в том числе скользящих, структурированных сеток; тестировать специализированный пакет VP2/3, провести расчеты в'широком, дна- ' паз'оис изменения режимных параметров (в частности, числа Рейнольдса - от 40 до I О7), форм объектов и их геометрических размеров;
верифицировать и модифицировать модель переноса сдвиговых напряжений, предложенную Ментером; '
идентифицировать структурные особенности стационарных пространств венных отрывных течений; объяснить эффект головной стабилизации при не-'' симметричном обтекании цилиндра с выступающим соосным диском;'
рассчитать ламинарное и турбулентное пространственное пристеночное течение и конвективный теплообмен вблизи рельефа с уединенной сферической лункой и пакетом лунок; оценить теплогидравлическую эффективность луночных рельефов;
исследовать двумерное стационарное и нестационарное обтекание тел различной геометрий (цилиндров и толстых профилей) с вихревыми ячейками при интенсификации циркулирующего в них потока за счет отсоса с центрального тела; ' -'.,. v. .
решить ряд практических проектно-конструкторских и эксплуатационных задач транспорта и энергетики." ': ' : ' "'
Научная новизна работы.
-
Идентификация универсальных струино-вихревых структур в пространственных отрывных течениях. ''
-
Анализ физических вихревых механизмов снижения' лобового сопротивления и головной стабилизации тел с передней срывной зоной, а также смерче- '. вой интенсификации теплообмена при обтекании рельефов со сферическими лунками. Обоснование теплогидравлической эффективнбети луночных рельефов на стенке узкого канала. ' "'" ' .'
-
Детальное исследование способов управления обтеканием тел с помощью вихревых ячеек при интенсификации циркулирующего в них потока за счет распределенного отсоса, а также при переброске жидкости в кожухе из зоны высокого давления перед телом в зону низкого давления за'ним.
-
Решение сопряженных задач отрывной гидромеханики с учетом собственного движения тел. '' ' ''"""' ; "'"' ' "; '
-
Разработка и тестирование МВТ, реализованных в специализированном ; пакете VP2/3 и основанных на конечно-объемной факторизованной процедуре решения уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса,'Замкнутых с помощью диффе-: ' ренциальньгх моделей турбулентности, на' разіюмасштабньїХ' структурирован-"'' ных пересекающихся, в том числе скользящихсетках:' О :: j'-, = *'
-
Обоснование выбора для расчетов отрывных течений модифицированной '-с учетом влияния кривизны линий тока на характеристики турбулентности модели переноса сдвиговых напряжений, предд'ожённой'МентёрЬм."" ''''"
Практическая ценность работы. Г. Предложены луночные конфигураций,,; обеспечивающие высокую теплоотдачу от стенки при'низких гидравлических"-потерях (в приложении к теплообменным аппаратам).
-
Обоснована рациональная по аэродинамическому сопротивлению и стабилизации компоновка тел с организованным отрывом потока с приложением к Транспортировке грузов на внешней подвеске вертолетов.
-
Предложена компоновка и определены управляющие параметры вихревых ячеек для летательного аппарата интегральной компоновки, приводящие к созданию дополнительной циркуляции и приросту.подъемной силы.
-
Даны рекомендации по снижению ветрового воздействия при функционировании градирен.
-
Обоснована аэродинамическая форма скоростного поезда, обеспечивающая снижение аэродинамического сопротивления.
-
Разработан программный многоблочный комплекс для решения многомерных задач вихревой аэрогидромеханики, реализованный в специализированном пакете VP2/3. ''
Программные разработки и полученные результаты использовались ММЗ «Сокол» при выборе улучшенной формы скоростного поезда, ВНИИ гидротехники при обосновании предложения о выравнивании ветрового потока в районе окон градирен с помощью щитовых заборов, ВНИИ ПАНХ для технического решения о стабилизации и снижении сопротивления грузов при их транспортировке на внешней подвеске вертолетами.
На защиту выносятся: : Г. Физическая модель пространственных отрывных течений на основе идентификации универсальных струйно-вихревых потокообразующих элементов отрывных зон.
-
Анализ механизмов головной стабилизации тел с передней срывной зоной и вихревой интенсификации теплообмена при самогенерации крупномасштабных струйно-вихревых в пределах сферических лунок,
-
Способы управления отрывными течениями, среди которых надо указать вихревые ячейки, экраны и заборы при ветровом и воздушном воздействии па плохообтекаёмые тела, с целью достижения положительных аэрогидродинамических эффектов, а;также струйное воздействие на нестационарные вихревые структуры в ближнем следе'за телом с целью уменьшения поперечных аэродинамических нагрузок. '
: 4. Разработанные элементы МВТ численного моделирования нестационарные, многомерных течений жидкости и конвективного теплообмена на базе разномасштабных пересекающихся сеток, реализованные в пакете VP2/3. ;' '5. Модифицированная с учетом кривизны линий тока модель переноса сдвиговых напряжений Мёнтера с выбранной полуэмпирической константой. :
6. Результаты детального тестирования нестационарных ламинарных и пространственныхтурбулентных отрывных течений, обоснования выбора зональ-)Ъй'м'6'делй'пёрё)гсЛ;а'сдвиг0вых.Напряжений,-решения сопряженных задач гид-' ромёханйки с учетом собственного движения тел.
Апробация работы. Изложенные в диссертации материалы докладывались на III-VI Всесоюзной конференции по безопасности полетов в Академии гражданской-авиации {Ленинград, 1982, 1985,' 1988, 1.991), на VII Всесоюзной; шко-
ле-семинаре «Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок» МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 1989), па школе молодых ученых «Численные методы механики сплошных сред» (Абакан, 1989), на V Int. Symp. on Refined Flow Modelling and Turbulent Measurement (Paris, 1993), на научно-технической конференции «Проблемы совершенствования комплексных методов прогнозирования мореходных качеств судов и средств освоения океана (XXXVI Крыловские чтения) (Санкт-Петербург, 1993), на Восьмом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), на Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2002» в СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2002), на IV Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2002) / XIX Международном семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям в СпбГУ (Санкт-Петербург, 2002), на Международной научно - практической конференции "Третьи Окуневские чтения" в БГТУ (Санкт-Петербург, 2002), на Третьей Российской национальной конференции по теплообмену в МЭИ (Москва, 2002), на X, XII школе-семинаре под руководством академика РАН Черного Г.Г. «Современные проблемы аэрогидродинамики» (Туапсе, 2002, 2004), на научно-теоретической конференции «Гидравлика (наука и дисциплина)» в СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2004), на XX Юбилейном семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям в СПбГУ (Санкт-Петербург, 2004), на конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» в ИТПМ СО РАН (Новосибирск, 2004), на семинарах Академии гражданской авиации и БГТУ им. Д.Ф.Устинова (Санкт-Петербург, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 31 печатный труд, в том числе одна монография.
Личный вклад автора. Результаты, представленные в работе, в основном получены автором, однако многие исследования выполнялись при участии соавторов и являлись частью исследовательских и хоздоговорных программ лаборатории фундаментальных исследований Санкт-Петербургского государственного университета (Академии) гражданской авиации. Автору принадлежат а) постановки задач нестационарного обтекания тел с перфорированным кожухом и тел, колеблющихся в вязкой жидкости; б) упрощенный подход к трактовке метрических коэффициентов при решении уравнений Навье-Стокса в обобщенных криволинейных координатах; в) результаты тестирования моделей турбулентности; г) результаты по вихревой динамике при нестационарном обтекании тел в ламинарном и турбулентном режимах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации 251 стр., в том числе 94 рисунка и 7 таблиц, расположенных по тексту, а также список литературы, включающий 152 наименования.
