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 | УДК: 533.6.011.34 | DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.1.8
Numerical simulation of aerodynamic and noise characteristics of subsonic turbulent jets using graphic processing units
The work considers two turbulent jet problems. The first includes the evaluation of the aerodynamic characteristics of the jet, which emits from the model subsonic nozzle investigated in the framework of the European project JEAN (Jet Exhaust Aerodynamics and Noise) for the Mach number M = 0.75 and the Reynolds number Re = 1⋅106. The second problem focuses on the simulation of the noise emission from the model conical nozzle (М = 0.9; Re = 1.6⋅106). These problems were solved with use of parallel CFD solver GHOST CFD, which is being developed by authors. The simulations were conducted using the Navier-Stokes equations for perfect gas in a curvilinear coordinate system by a finite difference method. A sponge layer was utilized to minimize the reflections from the outer border of computational domain. Spatial derivatives were computed by the 4th order of approximation scheme with improved dissipative and dispersive characteristics (DRP schemes - Dispersion Relation Preserving). Turbulence modeling was conducted by large eddy simulation with relaxation filtering. Time integration was conducted by the 4th order Runge-Kutta scheme (LDDRK - Low Dispersion and Dissipation Runge-Kutta), which had also improved dissipative and dispersive characteristics. A computational mesh for both problems consisted of 12 million cells. Simulations were performed with graphic processing units, whose performance surpasses greatly (by an order of magnitude) that of multicore central processing units, granting more than 10 times decrease in the required computational time. Results for the mean velocity for the JEAN nozzle have shown good agreement with experimental data. The RMS velocity along the nozzle centerline was moderately underpredicted, which, however, coincided with the results of other authors. The conical nozzle sound pressure level obtained in current study was compared with the experimental data, as well as with the results of simulations on a finer grid with ANSYS Fluent commercial solver. The comparison has shown a good agreement of GHOST CFD results with experimental data within 3-4 dB for a wide range of frequencies. Moreover, the GHOST CFD results were consistent with the ANSYS Fluent results on a finer grid, but their evaluation required much less computational time.
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.
