Математическое моделирование взаимодействия свободно-конвективного течения и подвижного тела

Математическое моделирование взаимодействия свободно-конвективного течения и подвижного тела

Автор: Филимонов Сергей Анатольевич, Гаврилов Андрей Анатольевич, Дектерев Александр Анатольевич, Литвинцев Кирилл Юрьевич

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 1 т.16, 2023 года.

Бесплатный доступ

Представлена математическая модель, предназначенная для описания взаимодействия свободно-конвективного потока с подвижным телом. Модель реализована в рамках расчетного программного комплекса SigmaFlow, основанного на методах вычислительной гидродинамики. Свободно-конвективное течение описывается уравнениями Навье-Стокса в приближении Буссинеска, а модель подвижного тела реализована с помощью метода погруженных границ. В статье приведены результаты верификации предложенной математической модели на следующих тестовых задачах: нестационарное ламинарное обтекание цилиндра; естественная конвекция в канале между двумя цилиндрами; развитое конвективное течение в замкнутой прямоугольной области с неподвижной пластиной. Представлены результаты численного исследования движения пластины в свободно-конвективном потоке в замкнутом объеме (кювете) с горячей нижней и холодной верхней стенками. В результате расчетов обнаружено влияние подвижной пластины на динамику формирования крупномасштабных ячеек, на локальное распределение плотности теплового потока на нижней стенке и интегральный тепловой поток. В частности, выявлено локальное уменьшение теплового потока под пластиной, увеличение числа крупных вихрей в кювете и разрушение горизонтального градиента температуры, который наблюдается в случае закрепленной пластины. Кроме этого, для закрепленной пластины величина теплового потока под ней зависит от ее положения, а в случае подвижной пластины - от положения и направления ее движения. Качественное сравнение расчетов для двух разных чисел Релея c экспериментальными данными, полученными в Институте механики сплошных сред УрО РАН, показало, что поведение пластины имеет схожие закономерности.

Еще

Численное моделирование, метод погруженных границ, естественная конвекция, подвижное тело

Короткий адрес: https://sciup.org/143180097

IDR: 143180097   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.1.7

Список литературы Математическое моделирование взаимодействия свободно-конвективного течения и подвижного тела

  • Карасев Т.О., Теймуразов А.С., Перминов А.В. Численное исследование теплоотдачи стенки титанового реактора при воздушном охлаждении // Вычисл. мех. сплош. сред. 2020. Т. 13, № 4. С. 424-436. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.4.33
  • Litvintsev K.Yu., Finnikov K.A. Development of a specialized mathematical model of heat transfer in a vacuum electric furnace // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 1128. 012088. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1128/1/012088
  • Zhang J., Libchaber A. Periodic boundary motion in thermal turbulence // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84. P. 4361-4364. https://doi.org/10.1103/physrevlett.84.4361
  • Попова Е.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабные течения в турбулентном конвективном слое с погруженным в него подвижным теплоизолятором // Изв. РАН. МЖГ. 2003. № 6. С. 41-47. (English version https://doi.org/10.1023/B:FLUI.0000015226.47864.b8)
  • Scheel J.D., Emran M.S., Schumacher J. Resolving the fine-scale structure in turbulent Rayleigh–Bénard convection // New J. Phys. 2013. Vol. 15. 113063. https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/11/113063
  • Shishkina O. Rayleigh-Bénard convection: The container shape matters // Phys. Rev. Fluids. 2021. Vol. 6. 090502. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevFluids.6.090502
  • Васильев А.Ю., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Влияние горизонтальных теплоизолирующих пластин на структуру конвективных течений и теплоперенос в замкнутой полости // Вычисл. мех. сплош. сред. Т. 15, № 1. С. 83-97. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.1.7
  • Peskin C.S. Flow patterns around heart valves: A numerical method // J. Comput. Phys. 1972. Vol. 10. P. 252-271. https://doi.org/10.1016/0021-9991(72)90065-4
  • Saiki E.M., Biringen S. Numerical simulation of a cylinder in uniform flow: Application of a virtual boundary method // J. Comput. Phys. 1996. Vol. 123. P. 450-465. https://doi.org/10.1006/jcph.1996.0036
  • Lai M.-C., Peskin C.S. An immersed boundary method with formal second-order accuracy and reduced numerical viscosity // J. Comput. Phys. 2000. Vol. 160. P. 705-719. https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6483
  • Mohd-Yosuf J. Combined immersed-boundary/B-spline methods for simulations of flow in complex geometries // Cent. Turbul. Res. Annu. Res. Briefs. 1997. P. 317-328. https://web.stanford.edu/group/ctr/ResBriefs97/myusof.pdf
  • Tseng Y.-H., Ferziger J.H. A ghost-cell immersed boundary method for flow in complex geometry // J. Comput. Phys. 2003. Vol. 192. P. 593-623. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2003.07.024
  • Balaras E. Modeling complex boundaries using an external force field on fixed Cartesian grids in large-eddy simulations // Comput. Fluids. 2004. Vol. 33. P. 375-404. https://doi.org/10.1016/S0045-7930(03)00058-6
  • Mittal R., Iaccarino G. Immersed boundary methods // Annu. Rev. Fluid Mech. 2005. Vol. 37. P. 239-261. https://doi.org/10.1146/ANNUREV.FLUID.37.061903.175743
  • Udaykumar H.S., Kan H.-C., Shyy W., Tran-Son-Tay R. Multiphase dynamics in arbitrary geometries on fixed Cartesian grids // J. Comput. Phys. 1997. Vol. 137. P. 366-405. https://doi.org/10.1006/jcph.1997.5805
  • Udaykumar H.S., Mittal R., Shyy W. Computation of solid–liquid phase fronts in the sharp interface limit on fixed grids // J. Comput. Phys. 1999. Vol. 153. P. 535-574. https://doi.org/10.1006/jcph.1999.6294
  • Roman F., Armenio V., Fröhlich J. A simple wall-layer model for large eddy simulation with immersed boundary method // Phys. Fluids. 2009. Vol. 21. 101701. https://doi.org/10.1063/1.3245294
  • Capizzano F. Turbulent wall model for immersed boundary methods // AIAA J. 2011. Vol. 49. P. 2367-2381. https://doi.org/10.2514/1.J050466
  • Wang W.-Q., Yan Y., Tian F.-B. A simple and efficient implicit direct forcing immersed boundary model for simulations of complex flow // Appl. Math. Model. 2017. Vol. 43. P. 287-305. https://doi.org/10.1016/j.apm.2016.10.057
  • Narváez G.F., Lamballais E., Schettini E.B. Simulation of turbulent flow subjected to conjugate heat transfer via a dual immersed boundary method // Comput. Fluids. 2021. Vol. 229. 105101. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2021.105101
  • Lee S., Hwang W. Development of an efficient immersed-boundary method with subgrid-scale models for conjugate heat transfer analysis using large eddy simulation // Int. J. Heat Mass Tran. 2019. Vol. 134. P. 198-208. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.01.019
  • Xia J., Luo K., Fan J. A ghost-cell based high-order immersed boundary method for inter-phase heat transfer simulation // Int. J. Heat Mass Tran. 2014. Vol. 75. P. 302-312. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.048
  • Lo D.C., Lee C.-P., Lin I.-F. An efficient immersed boundary method for fluid flow simulations with moving boundaries // Appl. Math. Comput. 2018. Vol. 328. P. 312-337. https://doi.org/10.1016/j.amc.2018.01.022
  • Дектерев А.А., Гаврилов А.А., Минаков А.В. Современные возможности СFD кода SigmaFlow для решения теплофизических задач // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2010. № 2(4). C. 117-122.
  • Meshkova V.D., Dekterev A.A., Gavrilov A.A., Litvintsev K.Yu. SigmaFlow CFD code as a tool for predicting the wind environment around a group of buildings // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. Vol. 1675. 012119. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/1675/1/012119
  • Zdravkovich M.M. Flow around circular cylinders. Vol. 1. Fundamentals. Oxford University Press, 2002. P. 566-571.
  • Shoeybi M., Svärd M., Ham F.E., Moin P. An adaptive implicit–explicit scheme for the DNS and LES of compressible flows on unstructured grids // J. Comput. Phys. 2010. Vol. 229. P. 5944-5965. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2010.04.027
  • Kuehn T.H., Goldstein R.J. An experimental and theoretical study of natural convection in the annulus between horizontal concentric cylinders // J. Fluid Mech. 1976. Vol. 74. P. 695-719. https://doi.org/10.1017/S0022112076002012
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp