Введение к работе
Актуальность темы. Проблема расчета турбулентных течений уже і протяжение многих десятилетий является одной из наиболее <туальных и наименее изученных проблем механики жидкости и газа, гсмотря на интенсивное развитие вычислительной техники в эследние годы все более широкое применеие в этой области находят рносительно новые подходы; в частности, так называемый метод эупных вихрей и прямое численное моделирование турбулентности на :нове решения нестационарных трехмерных уравнений Навье-Стокса, )адиционный подход, основанный на применении полуэмпирических іделей турбулентности в сочетании с осредненными по Рейнольдсу )авнениями Навье-Стокса COFECJ, по-прежнему, остается главным іструментом при расчете сложных турбулентных течений, )едставляющих непосредственный практический интерес. Учитывая тктическую направленность данного подхода, полуэмпирические )дели турбулентности должны, очевидно, сочетать в себе, с одной гороны, максимально возможную простоту и легкость адаптации к )вым вычислительным алгоритмам, структурам сеток и т. д. , ас )угой - обеспечивать приемлемую для инженерных целей точность и «нереальность.
Именно эти требования определяют основные тенденции в ізвитии данного направления, которые остаются неизменными уже в гчение достаточно длительного периода и сводятся к постепенному :овершенствованию моделей как за счет повышения "уровня імьїкания" ОРНС (от моделей нулевого к моделям высших порядков), 1К и за счет улучшения моделей каждого уровня путем учета все зльшего числа физических эффектов (влияние твердых стенок, кимаемосґи, кривиз.ны линий тока, вращения, массовых сил и т. д. ). результате длительных поисков И' дискуссий в 70-е - 80-е годы іибольшее распространение получили дифференциальные модели грбулентности с двумя уравнениями, прежде всего, модели типа к-с. го было связано с весьма впечатляющим успехами, достигнутыми с пользованием этих моделей при расчете довольно широкого круга грбулентных течений и с их заметными преимуществами перед бывшими )лее популярными в предыдущие годы алгебраическими моделями грбулентности. Однако более глубокие исследования, выполненные в )следние годы с учетом новых экспериментальных данных и гзулыатов, полученных методами прямого численного моделирования, гявили ряд принципиальных физических недостатков к-с моделей, в
частности, их неспособность адекватно описывать пристенные течен с неблагоприятным градиентом давления, с отрывом и присоединени потока и некоторые другие. Кроме того, опыт их эксплуатац показал и наличие в них серьезных вычислительных дефектов. Э стимулировало как возобновление интереса к более простым моделя содержащим только одно дифференциальное уравнение, так и попыт: создания новых моделей с двумя уравнениями, свободных недостатков традиционных к-с моделей. В результате за последи 3-4 года было предложено несколько новых как одно- так двухпараметрических моделей, которые удовлетворяют некоторым общ требованиям, предъявляемым к современным моделям турбулентное (инвариантность по отношению к преобразованию координа независимоть параметров в рассматриваемой точке потока локальных параметров на стенке) и, судя по сравнительно небольшо пока опыту их применения, являются весьма многообещающим
Указанные обстоятельства определили основные цели настоящ работы, которые состояли в более широком и детальном изучен возможностей трёх из предложенных недавно моделей такого типа и решении с помощью этих моделей некоторых актуальных зад современной аэродинамики, связанных с , расчетом сложи турбулентных течений, не поддающихся удовлетворительному описан в рамках традиционных алгебраических и двухпрараметрическ моделей типа к-с. Достижение этих целей потребовало как решен некоторых чисто вычислительных, так и физических задач, связанн с необходимостью повышения экономичности существующих численн алгоритмов при расчете сложных стационарных и нестационарн турбулентных течений и с отсутствием универсальных способ описания перехода от ламинарного к турбулентному режиму течения рамках полуэмпирических модели турбулентности.
Научная новизна работы состоит в следующем. і
-
Предложены модификации известной схемы Ван Лира д расчета трансзвукового обтекания крыловых профилей, позволяют существенно повысить ее точность и экономичность.
-
Предложен новый, не требующий априорного задания положен точки перехода, способ расчета отрывного обтекания тел в диапазо чисел Рейнольдса, соответствующем отрыву ламинарного погранично слоя и переходу к турбулентности вниз по потоку в свободном ел смешения.
-
С помощью трех предложенных недавно моделей турбулентное (модель у -92, моель Спаларта и Аллмараса и модель Нентер
іервьіе проведены детальные численные исследования ряда сложньіх ационарных, автоколебательных и нестационарных турбулентных чений (трансзвуковое обтекание крылового профиля, обтекание угового цилиндра, цилиндра с пластиной, присоединенной к его дней критической точке, тандема цилиндров ипроцесса аимодействия вихревого следа самолета с поверхностью земли). В зультате получены как новые данные о возможностях используемых делей турбулентности, так и о физических закономерностях следованных течений, в том числе, о существовании двух инципиально отличающихся (стационарного и нестационарного втоколебательного) решений ОРНС при расчете турбулелтного текания' цилиндра и других плохообтекаемых тел. Практическая ценность работы.
-
На основе проведенных исследований получены конкретные иные о возможностях (точности и вычислительной эффективности) следованных моделей турбулентности при решении важных задач временной' аэродинамики.
-
Предложенный способ "управления" переходом при расчете рывного обтекания тел применим к расчету широкого класса рбулентных течений, представляющих большой практический интерес.
-
Полученные количественные данные о процессе взаимодействия хревого следа самолета с поверхностью земли имеют важное ачение для повышения безопасности полетов.
-
Разработанные вычислительные алгоритмы обладают высокой чностыо и экономичностью и- могут использоваться для проведения ссовых расчетов при проектирования и оптимизации самых различных хнических устройств в промышленности и авиации.
Аппробация работы. Результаты работы докладывались на кинарах кафедры гидроаэродинамики СПбГТУ (Санкт-Петербург, 1995, 37 гг.), на Международном симпозиуме по моделированию и черению турбулентности в технике (Крит, Греция, 1996), на этьей Европейской конференции по вычислительной гидродинамике іриж, Франция 199Б).
Публикации по тенв диссертации. Основные результаты :сертации изложены в трех научных публикациях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и <лючения. Она содержит 140 страниц машинописного текста и 66 заниц с 62 рисунками, список литературы из 71 наименования.