Численное моделирование аэродинамических и шумовых характеристик дозвуковых турбулентных струй с использованием графических процессоров
Автор: Коромыслов Евгений Васильевич, Усанин Михаил Владимирович, Гомзиков Леонид Юльевич, Синер Александр Александрович, Любимова Татьяна Петровна
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.9, 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе рассмотрены две задачи для дозвуковых турбулентных струй. В первой из них для числа Маха М = 0,75 и числа Рейнольдса Re = 1⋅106 определялись аэродинамические характеристики струи при истечении из модельного дозвукового сопла, исследуемого в рамках европейского проекта JEAN (Jet Exhaust Aerodynamics And Noise). Во второй задаче рассчитывалась генерация шума струей, истекающей из модельного конического сопла (М = 0,9; Re = 1,6⋅106). Обе задачи решены с помощью параллельного газодинамического программного пакета GHOST CFD, разрабатываемого авторами. Процесс истечения струй описывался уравнениями Навье-Стокса для совершенного газа в криволинейной системе координат методом конечных разностей на многоблочных структурированных расчетных сетках. Для минимизации отражений от внешних границ расчетной области использовался специальный поглощающий слой. При вычислении пространственных производных в пакете применялись схемы 4-го порядка аппроксимации с улучшенными диссипативными и дисперсионными характеристиками (схемы типа DRP - Dispersion Relation Preserving). Интегрирование по времени выполнялось по схеме Рунге-Кутты 4-го порядка аппроксимации (LDDRK - Low Dispersion and Dissipation Runge-Kutta), также имеющей улучшенные диссипативные и дисперсионные свойства. Моделирование турбулентности осуществлялось методом крупных вихрей с релаксационной фильтрацией. Расчетная сетка в обеих задачах содержала около 12 млн. ячеек. Расчеты проводились на графических процессорах, производительность которых на порядок превышает производительность многоядерных центральных процессоров, что позволило более чем в 10 раз уменьшить время счета. Результаты для средней скорости сопла JEAN показали хорошее соответствие экспериментальным данным. Пульсационная составляющая осевой скорости вдоль оси имела несколько заниженное относительно эксперимента максимальное значение, но была сопоставимой с результатами других авторов. Для конического сопла найденное звуковое давление сравнивалось как с экспериментальными данными, так и с величинами, найденными на более подробной сетке в коммерческом пакете ANSYS Fluent. Вычисленные в GHOST CFD значения хорошо согласовались как с экспериментом (в пределах 3-4 Дб для широкого диапазона частот), так и с данными, рассчитанными на более подробной сетке в ANSYS Fluent. При этом для расчета в пакете GHOST CFD требовалось меньшее время.
Аэроакустика, реактивное сопло, графические процессоры, численные схемы высокого порядка
Короткий адрес: https://sciup.org/14320797
IDR: 14320797 | DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.1.8
Список литературы Численное моделирование аэродинамических и шумовых характеристик дозвуковых турбулентных струй с использованием графических процессоров
- Волков К.Н., Емельянов В.Н., Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений -М.: Физматлит, 2008. -368 c.
- Shur M.L., Garbaruk A.V., Kravchenko S.V., Spalart Ph.R., Strelets M.Kh. LES-based numerical system for noise prediction in complex jets//Computational Fluid Dynamics 2010. -2011. -P. 163-168.
- Любимов Д.А. Исследование с помощью комбинированного RANS/ILES-метода влияния геометрии сопла и режима истечения на характеристики турбулентности выхлопных струй//ТВТ. -2009. -Т. 47, № 3. -C. 412-422.
- Зайцев А.М., Семенов В.Н., Швецов Ю.Е. Математическое моделирование смешения разнотемпературных струй методом CABARET//Вычисл. мех. сплош. сред. -2013. -T. 6, № 4. -C. 430-437.
- http://www.turbostream-cfd.com/(дата обращения: 10.03.2016).
- Fauconnier D., Bogey C., Dick E. On the performance of relaxation filtering for large-eddy simulation//Journal of Turbulence. -2013. -Vol. 14, no. 1. -P. 22-49.
- Коромыслов Е.В., Усанин М.В., Гомзиков Л.Ю., Синер А.А. Использование схем типа DRP высокого порядка аппроксимации и метода крупных вихрей с релаксационной фильтрацией для расчёта турбулентных течений газа на примере распада вихря Тейлора-Грина//Вычисл. мех. сплош. сред. -2015. -T. 8, № 1. -C. 24-34.
- Bogey C., Bailly C. A family of low dispersive and low dissipative explicit schemes for flow and noise computations//J. Comput. Phys. -2002. -Vol. 194, no. 1. -P. 194-214.
- Berland J., Bogey C., Bailly C. Optimized explicit schemes: matching and boundary schemes and 4th-order Runge-Kutta algorithm//AIAA Paper 2004-2814. -2004. (URL: http://acoustique.ec-lyon.fr/publi/aiaa_2004_2814.pdf).
- Visbal M.R., Gaitonde D.V. On the use of higher-order finite-difference schemes on curvilinear and deforming meshes//J. Comput. Phys. -2002. -Vol. 181, no. 1. -P. 155-185.
- Israeli M., Orszag S.A. Approximation of radiation boundary conditions//J. Comput. Phys. -1981. -Vol. 41, no. 1. -P. 115-135.
- Tam C.K.W., Webb J.C. Dispersion-relation-preserving finite difference schemes for computational acoustics//J. Comput. Phys. -1993. -Vol. 107, no. 2. -P. 262-281.
- Bogey C., Bailly C. Computation of a high Reynolds number jet and its radiated noise using large eddy simulation based on explicit filtering//Comput. Fluids. -2006. -Vol. 35, no. 10. -P. 1344-1358.
- Bogey C., Bailly C. Large eddy simulations of round free jets using explicit filtering with/without dynamic Smagorinsky model//Int. J. Heat Fluid Fl. -2006. -Vol. 27, no. 4. -P. 603-610.
- https://developer.nvidia.com/cuda-zone (дата обращения: 10.03.2016).
- Andersson N., Eriksson L.-E., Davidson L. Large-eddy simulation of a Mach 0.75 jet//AIAA Paper 2003-3312. -2003. -13 p.
- Pokora C.D., McMullan W.A., Page G.J., McGuirk J.J. Influence of a numerical boundary layer trip on spatio-temporal correlations within LES of a subsonic jet//AIAA Paper 2011-2920. -2011. -21 p.
- Prieur J., Rahier G. Aeroacoustic integral methods, formulation and efficient numerical implementation//Aerosp. Sci. Technol. -2001. -Vol. 5, no. 7. -P. 457-468.
