Все выпуски

Рассмотрена математическая модель дозвуковых нестационарных турбулентных течений несжимаемого газа, основанная на методе крупных вихрей. Приводятся описания модели подсеточной турбулентности и вычислительного алгоритма, представлены результаты параметрических расчетов турбулентных течений несжимаемого газа в прямоугольном канале при различных числах Рейнольдса.

The Large Eddy Simulation mathematical model for the subsonic unsteady turbulent flow of incompressible gas has been considered. The subgrid turbulence model, computational algorithm and numerical results of parametrical study of incompressible gas flow of in square channel under various Reynolds numbers has been presented.

На закруглениях речного русла формируются вторичные поперечные течения. В зависимости от геометрии русла вторичных течений в створе может быть несколько, и они могут иметь различный масштаб. Даже малое вторичное поперечное течение влияет на параметры гидродинамического потока и это влияние необходимо учитывать при моделировании русловых процессов и исследовании береговых деформаций русла. Трехмерное моделирование таких разномасштабных процессов требует больших вычислительных затрат и на текущий момент возможно только для небольших модельных каналов. Поэтому для исследования береговых процессов в данной работе предложена модель пониженной размерности. Выполненная редукция задачи от трехмерной модели движения речного потока к двумерной модели потока в плоскости створа канала предполагает, что рассматриваемый гидродинамический поток является квазистационарным и для него выполнены гипотезы об асимптотическом поведении потока по потоковой координате створа. С учетом данных ограничений в работе сформулирована математическая модель задачи о движении стационарного турбулентного спокойного речного потока в створе канала. Задача сформулирована в смешанной постановке скорости–вихрь–функция тока. В качестве дополнительных условий для редукции задачи требуется задание граничных условий на свободной поверхности потока для поля скорости, определяемого в нормальном и касательном направлении к оси створа. Предполагается, что значения данного поля скорости должно быть определено из решения вспомогательных задач или получено из данных натурных или экспериментальных измерений. Для численного решения сформулированной задачи используется метод конечных элементов в формулировке Петрова–Галеркина. В работе получен дискретный аналог задачи и предложен алгоритм ее решения. Выполненные численные исследования показали в целом хорошую согласованность полученных решений с известными экспериментальными данными. Погрешности численных результатов авторы связывают с необходимостью более точного определения радиальной компоненты поля скорости в створе потока путем подбора и калибровки более подходящей модели вычисления турбулентной вязкости и более точного определения граничных условий на свободной границе створа.

At the river bed curves, secondary flow normal to the main flow direction are formed. Depending on the channel geometry, there may be several secondary flows in the cross-section, and they may have different scales. Even a small secondary cross-section flow affects the parameters of the hydrodynamic flow and this influence must be taken into account when modeling riverbed processes and researching coast deformations of the channel. Three-dimensional modeling of such multi-scale processes requires large computational costs and is currently possible only for small model channels. Therefore, a reduced-dimensional model is proposed in this paper to study coastal processes. The performed reduction of the problem from a three-dimensional model of river flow motion to a two-dimensional one in the plane of the channel cross-section assumes that the hydrodynamic flow is quasi-stationary and the hypotheses on the asymptotic behavior of the flow along the flow coordinate are fulfilled for it. Taking into account these limitations, a mathematical model of the problem of a stationary turbulent calm river flow in a channel cross-section is formulated in this work. The problem is formulated in a mixed velocity–vortex–stream function formulation. Specifying of the boundary conditions on the flow free surface for the velocity field determined in the normal and tangential directions to the cross-section axis is required as additional conditions for the problem reduction. It is assumed that the values of this velocity field should be determined from the solution of auxiliary problems or obtained from data of natural or experimental measurements.

The finite element method in the Petrov–Galerkin formulation is used for the numerical solution of the formulated problem. A discrete analog of the problem is obtained and an algorithm for its solution is proposed. The performed numerical studies showed generally good agreement between the obtained solutions and the known experimental data. The authors associate the errors in the numerical results with the need for a more accurate determination of the radial component of the velocity field in the cross-section by selecting and calibrating a more suitable model for turbulent viscosity calculating and a more accurate determination of the boundary conditions on the cross-section free boundary.

В работе представлены результаты расчетного исследования локальной структуры восходящего газожидкостного потока в вертикальной трубе. Математическая модель основана на использовании двухжидкостного эйлерова подхода с учетом обратного влияния пузырьков на осредненные характеристики и турбулентность несущей фазы. Турбулентная кинетическая энергия жидкости рассчитывается с применением двухпараметрической изотропной модели турбулентности $k - \varepsilon$, модифицированной для двухфазных сред. Для описания динамики распределения пузырьков по размерам используются уравнения сохранения количества частиц для отдельных групп пузырьков с различными диаметрами для каждой фракции с учетом процессов дробления и коалесценции. Численно исследовано влияние изменения степени дисперсности газовой фазы, объемного расходного газосодержания, скорости дисперсной фазы на локальную структуру и поверхностное трение в двухфазном потоке. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало, что разработанный подход позволяет адекватно описывать турбулентные газожидкостные течения в широком диапазоне изменения газосодержания и начальных размеров пузырьков.

The results of numerical simulation of the structure of a two-phase flow of a gas-liquid bubble mixture in a vertical ascending flow in a pipe are presented. The mathematical model is based on the use of the two-fluid Eulerian approach taking into account the inverse influence of bubbles on averaged characteristics and turbulence of the carrying phase. The turbulent kinetic energy of a liquid is calculated using equations for the transfer of Reynolds stresses. To describe the dynamics of bubble size distribution, the equations of particle number conservation for individual groups of bubbles with different constant diameters for each fraction are used taking into account the processes of breakup and coalescence. The influence of changes in the degree of dispersion of the gas phase, volume flow gas content and the velocity of the dispersed phase on the local structure and surface friction in the two-phase flow is numerically investigated. Comparison of simulation results with experimental data has shown that the developed approach allows an adequate description of turbulent gas-liquid flows in a wide range of changes in gas content and initial bubble sizes.

Представлены результаты исследования возможности применения RANS моделей турбулентности для описания структуры потока в измерительном трубопроводе со стандартной диафрагмой и расчета коэффициента расхода с точностью, регламентированной стандартом. Показано влияние параметров сетки на точность расчета и сформированы рекомендации по сгущению сетки в пристеночных областях. Представлены зависимости протяженности отрывных зон от числа Рейнольдса. Установлены диапазоны по числу Рейнольдса применимости различных RANS моделей турбулентности для определения коэффициента расхода с погрешностью, удовлетворяющей требованиям стандарта.

Research results of turbulence models RANS application possibility for a stream structure in a measuring pipeline with the standard orifice plates description and flow coefficient calculation with the accuracy regulated by the standard are presented. The influence of the grid parameters on the calculation accuracy is shown and grid concentration in the near-wall regions recommendations are generated. Detachable zones length on the Reynolds number dependences are presented. Reynolds number ranges of various turbulence models RANS applicability are installed for flow coefficient definition with the accuracy meeting the standards requirements.

Численно исследуются газодинамические процессы, протекающие в начальный момент работы сверхзвукового сопла с высокой степенью геометрического расширения. Основное внимание уделяется изучению механизмов потери течением осевой симметрии за счет неустойчивости образующихся в сверхзвуковой части сопла зон отрывного течения. Модель нестационарного течения вязкого теплопроводного сжимаемого газа по соплу основана на системе уравнений сохранения в форме Навье-Стокса. Турбулентность исследуемого течения моделируется методом отсоединенных вихрей DES и его модификацией DDES с привлечением полуэмпирической модели Спаларта-Аллмараса. Выполнено сравнение распределения давления на стенке сопла, проекции годографа вектора тяги, мгновенных и осредненных картин течения с экспериментальными данными и численными результатами других авторов. Показано, что применение вихреразрешающего моделирования DES и DDES позволяет адекватно описать основные особенности течения и воспроизвести феномен возникновения боковой составляющей тяги сверхзвукового сопла при приемлемом уровне вычислительных затрат.

In this paper, we numerically examine the separated flow in an overexpanded nozzle developed during the starting phase of a rocket engine featuring the side-load effect. We use detached eddy simulation (DES), namely, its version referred to as delayed DES, and compare our results with the existing experimental and numerical data. The calculations are based on finite volume approximation of the Navier-Stokes equations for perfect gas and pressure-based formulation with PISO coupling. By investigating the unsteadiness associated with the shock-induced separation, a better insight can be obtained as to how these affect the nozzle start-up. Three-dimensional, transient, turbulent computational fluid dynamics methodology has been demonstrated to capture major side-load physics with supersonic nozzles. The main flow properties (wall pressure levels, shock waves pattern, side load locus) are rather well reproduced. We suggest using a delayed detached eddy simulation for more accurate predictions of the flow separation.

Рассматриваются два подхода к решению задачи математического моделирования обтекания метаемых тел: численное решение уравнений движения сплошной среды Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (RANS - Reynolds-averaged Navier–Stokes), с использованием модели турбулентности и прямое численное моделирование (DNS - Direct Numerical Simulation). Тестирование рассматриваемых подходов проводится при решении задачи обтекания тел вращения с простой геометрией: сферы и цилиндра с конической головной частью, для которых известны значения коэффициентов сопротивления при различных числах Маха. Проведено качественное и количественное сравнение результатов обтекания рассматриваемых тел сверхзвуковым потоком, полученным по методикам RANS и DNS. Апробация методики численного моделирования проводится для метаемого тела (снаряда) характерной формы. Представлены результаты численного моделирования обтекания снаряда для широкого диапазона параметров: чисел Маха и углов нутации. Выполнено сравнение расчетных значений коэффициентов сопротивления с эмпирическими эталонными зависимостями по законам 1943 и 1958 годов.

Two approaches to the problem of numerical simulation of streamlined bodies airflow are considered. These approaches are: numerical calculation of the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) using the turbulence model and direct numerical simulation (DNS). Testing of the considered approaches were conducted by solving the problem of flow past bodies of revolution with simple geometries: sphere and cone cylinder, for which values of drag coefficient at different Mach numbers are known. Qualitative and quantitative comparison of the results for the supersonic flow (modelled by RANS and DNS methods) around the bodies under consideration are carried out. The numerical simulation method is tested by considering the missile body (projectile) of characteristic shape. The numerical simulation results for the flow around the projectile are presented for a wide range of parameters: Mach numbers and angles of nutation. The calculated values of the drag coefficients are compared to the empirical reference dependencies according to the laws of 1943 and 1958.

Рассматриваются различные подходы к численному моделированию пристенных турбулентных течений, основанные на комбинированных моделях турбулентности, адекватно описывающих параметры вихревого течения в ядре потока и локальные характеристики трения в пристеночной области. Используются различные модификации и комбинации моделей турбулентности: параметрические модели осредненного течения, стандартный метод крупных вихрей и модификации модели отсоединенных вихрей. Проведены расчеты тестовых задач  течение на плоской пластине и течение в плоском канале. В качестве критериев сравнения с экспериментальными данными выбраны локальный коэффициент сопротивления, распределение величины завихренности и распределение функции скорости от расстояния до стенки.

Various approaches to the numerical simulation of wall-bounded turbulent flows have been considered. Turbulence models have been assembled to allow equal proper description of the core-flow vortex parameters as well as local friction coefficient in near-wall domain. Different modifications and combinations of turbulence models have been applied, namely, RANS-based low-Reynolds models, standard LES approach and modified DES models. Testing calculations have been carried out for the flat plate flow and duct flow. The comparison of achieved results with known experimental and numerical data has been shown through the local friction coefficient, vorticity magnitude and distribution of velocity versus distance to the wall.

Представлена методика моделирования турбулентного течения вязкого газа, основанная на схеме высокого порядка аппроксимации WENO (взвешенная существенно неосциллирующая схема). Данная схема характеризуется значительной устойчивостью при выполнении расчетов, так как WENO позволяет устранять нефизичные осцилляции численного решения, которые могут возникнуть в ходе вычислений. Приведена система определяющих уравнений, описывающая поток вязкого газа, основанная на системе уравнений Навье-Стокса. Разработаны и реализованы алгоритмы 3-го и 5-го порядков точности. Приведено описание численных методик использованных в расчетах потока газа. Моделирование турбулентности производилось с применением метода крупных вихрей. Предложенные алгоритмы были использованы для исследования течения вязкого газа в канале с обратным уступом. Число Рейнольдса потока газа в канале составляло Re=15000. Проведено сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными.

The technique of viscous gas turbulent flow simulation based on high-order approximation WENO scheme (Weighted Essentially Non-oscillatory scheme) is described. This scheme is characterized by significant stability when calculations are performed, because WENO allows to eliminate nonphysical oscillations of a numerical solution which can occur during calculations. The system of governing equations describing the flow of viscous gas based on the Navier-Stokes equations is presented. The algorithms of 3-rd and 5-th accuracy orders are developed and implemented. The numerical methods used in the calculations of gas flow are described. Turbulence modeling is carried out using the method of large vortices. The proposed algorithms have been used to study the flow of viscous gas in a channel with backward-facing step. Reynolds number of the flow in the channel was Re=15000. Comparison of simulation results with experimental data has been made.