Модель турбулентности k - в задаче пограничного слоя на вращающихся телах

Автор: Куркин Евгений Игоревич, Шахов Валентин Гаврилович

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Механика и машиностроение

Статья в выпуске: 4-1 т.14, 2012 года.

Бесплатный доступ

В статье использована модель турбулентности k − для решения задач пограничного слоя на вращающихся телах. Модель реализована в системе MATLAB и показала хорошее соответствие с результатами экспериментов Парра и Лутандера'Ридберга.

K − модели турбулентности, пограничный слой, вращающиеся тела

Короткий адрес: https://sciup.org/148201175

IDR: 148201175

Текст научной статьи Модель турбулентности k - в задаче пограничного слоя на вращающихся телах

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассмотрим пограничный слой при осевом обтекании осесимметричного тела, вращающегося вокруг оси симметрии. Координата x измеряется вдоль направляющей тела вращения, y - направлена по нормали к поверхности тела, z - окружная координата (рис. 1).

Пограничный слой подчиняется уравнению неразрывности, а также уравнениям импульсов в продольном и меридиональном направлениях [2].

S V, V dR 5 V м

—- + x   + —- = 0,

5 x   R dx   9y

Рис. 1. Схема обтекания жидкостью вращающегося осесимметричного тела [1]

  • V d V. V 2 dR + V V = .d +1 Т. ,w x 9x   R dx y 9y     dx p d y

„ 5 V  VV dR „ 5 V  1 Т

  • Vx + x^ + V,^ = z ,

5 x R dx y 9y    p 9y

мой жидкости уравнения модели k e могут быть представлены в виде:

где Vx,Vy,Vz– компоненты вектора скорости жидкости, U (x) - скорость внешнего (невязкого) обтекания тела, R (x) - радиус тела враще- d Vx          9 Vz ния, т = Ц--, Т = Ц-- - касательные

’ xy z dy     zy dy напряжения между слоями жидкости. Вязкость ц определяется как сумма молекулярной Ц и турбулентной pt вязкостей.

Модель k e добавляет в систему еще два уравнения – кинетической энергии турбулентности K и диссипации турбулентности E [3]. В случае тонкого пограничного слоя несжимае-

9K   9K  d

V — + V — = — dx   y dy dy

dK

9y

+

+e

m

f^V,+rsV, I2 I yy J I dy J

V aE + V a_E = a.

x 9x    y

E

+ c e l K e m

E ;

9 E

yy 6y LI    ^ e J 6y

fdK)2+fdT YI yy J I dy J

+

E 2

ц       ц K2

где v = —, em = — = сц , параметры p      p  ц E c^ = 0.09, cEX = 1.44, сй = 1.92, ^ = 1, ^ = 1.3. e                   о e                                  e

Прилипание жидкости к телу вращения вместе с известным законом невязкого обтекания определяет граничные условия:

.у - 0: Vx = V, = 0, V. - R®, уу - у, : Vx - U (x), V. = 0, где ye – толщина пограничного слоя.

Модель k 8 имеет вычислительные особенности на границе у - 0 . Поэтому граничные условия для нее задаются на внешней границе и на границе, расположенной на некотором расстоянии у 0 от поверхности тела. Учитывая это, граничные условия для уравнений к 8 модели турбулентности можно записать в виде:

k(x,7)-Цу K(x,у), 8(x,7)-Ux3E(x,у), k7 = 5,

8 - q ,

( b 2 5 ) n + mfs + e m [ v 2 + Q 2 p 2 ]— 8 2 m 2 uk -

- x ( ukx sfx ) ,

( b 3 q ) 7 + m i f q + c 8i 8 8 m + [ v 2 + q 2 p 2 ]

c 8 г k ( 3 m 2 1 ) u 8 - x ( u 8 x qf x ) .

у у 0 : E 0 ( 8 m ) cs

(д Vx f (д Vz ) 2 x + z

I d у J 0 I d у J 0

Граничные условия системы примут вид:

7 - 0: f - 0, u - 0,           g - 1;

L (8 m ) CS

K 0 - Л E 0          ;

У      c

: dKe - - E e dE e - —      E e

' dx     U ( x )’ dx      8 2 KeU ( x ) ,

7 - 7 0:   8 - ( 8 ,+ ) CS [ v 2 + Q 2 p 2 ] ,

где ( 8 m )r - — - турбулентная вязкость, оп- CS p

7-7e: u -1, g-0,  x—+ 8+2m2k-0, dx

ределяемая в пристенной области у е [ 0, у 0 ] по какому либо альтернативному закону турбулентности, к примеру по модернизированным формулам модели Себеси-Смита [4].

x --+ c.,

8 2 d x

-+(3 m 2 I:

8 - 0.

В этих уравнениях введены обозначения:

2. МАТРИЧНЫЙ ВИД УРАВНЕНИЙ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

®R b-1+8m,Q - uj ’

U ' m9 - —x , 2 U

R' m. - —x , 3 R

Вводя функцию тока / ( x , у ) , безразмерную переменную типа переменой Блазиуса

7 - V\U / vx и представляя / - R ( x ) JixU x ) f ( x , 7 ) , V Rg ( x , 7 ) , систему (1) приводим к виду [4]:

m , + 1 m 1 - m 3 +—2 2—

, Re x - —, безразмерная тур

-

булентная вязкость 8 m + в пристенной области вычисляется по алгебраическим соотношениям

( 8 . ) cs v

, а при 7 7 0 исполь

u - f n ,      v - / 77 ,       P - g n -    (3)

зуется соотношение модели k 8 :

(bv)n + mfv + m2 (1 — u2) + m.Q’g2 -- x(uux — vfx), (4)(bp ^ + mfp — 2 m3 ug - x (ugx — pfx).

где f , g - безразмерные функции. Нижние индексы 7 и x обозначают дифференцирование по соответствующим переменным.

Уравнения турбулентности можно представить в безразмерном виде, записывая, :

8+ - c Re — m — x 8

Разделение пограничного слоя на пристенную область, в которой турбулентная вязкость описывается алгебраической моделью, и область, где реализуется k — 8 модель турбулентности, удобно проводить, вводя дополнительную переменную, характеризующую коэффициент сопротивления трения на стенке. Такой подход, к примеру, предложен Себеси [3]. Границу 70 выберем исходя из постоянства вели- чины У0+ = 0 т = 50 , где ит = w0U (x) . Для определения п^важно значение w на стенке твердого тела ( Wo ), остальные значения не рассмат- риваются, а производная w по толщине пограничного слоя считается равной 0 (wn = 0) . Величина w0 может быть добавлена в список

V v o + q 2 p 2

переменных модели в виде w o =--- r 1/4--

, а

граница n 0 в таком случае рассчитывается как

П о = У о +

w 0 Re x .

8 j = \5fj S u j S v j 5 g j S p j S k j 5 s j Se j S q j S w J, j = 0,..., J .

Блоки A , B , C – матрицы размером 10 х 10, блоки r - матрицы 10 х 1. Матрицы разрежены. Значения их ненулевых элементов приведены в Приложении.

Для начала работы итерационного метода приближений требуется задания начальных профилей используемых переменных. Начальные профили f , u , v , g , p могут быть определены как начальные профили для ламинарного течения [4]. Профили же k, s, e , q можно задать следующим образом:

Система уравнений в частных производных решается методом сеток с использованием конечно-разностной схемы “прямоугольник”. Получившиеся нелинейные уравнения линеаризуются по Ньютону [5]. Следующая итерация переменных f , u , v , g , p , k , s , г , q , w находится в виде: f i + 1 = f i + S f j .

Итоговую систему линейных алгебраических уравнений представим в матричном виде:

Aδ =r .                 (7)

Матрица коэффициентов системы (7) имеет блочную трехдиагональную структуру:

k = ^2^ Iv 2 + Q 2 pp a 1 Re x               ,

v 2 + Q 2 p2

a 1 2        ,

s = k n , q = e n .

3. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА И СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

A 0 C 0

B 1 A 1 C 1

B j A j C j

B j - i A j - i C j - i

B J A J

Векторы переменных

δ 0 δ 1

r 0

r 1

8 = 8

8 j - i δ J

rj-i rJ

Реализация предложенной модели проведена в системе MATLAB в модернизированной программе Vertel.

Результаты расчета для тела Парра [1] при Q = l,...,4 и Re = 3 I0 5 ...9 - 10 5 представлены на рис. 2, 3. Сравнение рассчитанных профилей пограничного слоя с данными эксперимента [1] показывает хорошее соответствие.

Сравнение толщины вытеснения импульса

ye

O x = j u ( l - u ) dy

на рис. 4 и коэффициента мо-

Рис. 2. Сравнение безразмерных профилей меридиональной u и окружной g компонент скорости пограничного слоя при различных скоростях вращения Q , Re = 3 - l0 5 , x / R m = 3,l . Сплошная линия – расчеты, пунктир – эксперимент Парра [1]

Рис. 3. Сравнение безразмерных профилей меридиональной u и окружной g компонент скорости пограничного слоя при различных числах Рейнольдса, Ω = 1 , x / R m = 3,1 . Сплошная линия – расчеты, пунктир – эксперимент Парра [1]

Рис. 4. Сравнение толщины вытеснения импульса в меридиональном направлении, Re = 3 10 5 , x / R m = 3,1 . Сплошная линия – расчеты, пунктир – эксперимент Парра [1]

мента силы трения в окружном направлении

C M

M

  • 1         на рис. 5 также показывают хо-

  • 2    ρ Ω 2 R m 5

рошее соответствие расчета и результатов эксперимента.

Хорошее соответствие результатов эксперимента Лутандера-Ридберга [2] по исследованию положения точки отрыва потока на вращающемся в осевом направлении шаре при Re = 1, 6 10 с результатами моделирования (рис. 6) подтверждает возможность использования описанной модели и ее программной реализации в системе

Рис. 5. Сравнение коэффициента момента трения в окружном направлении, Re = 3 - 10 5 . Сплошная линия – расчеты, пунктир – эксперимент Парра [1]

Рис. 6. Сравнение положения точки отрыва потока на вращающемся шаре: сплошная линия – расчет, пунктир – эксперимент Лутандера-Ридберга [2]

MATLAB для нахождения точек отрыва потока в задачах вращающихся осесимметричных тел в осевом потоке.

4. ВЫВОДЫ

Модель турбулентности k - ε представлена в форме, предназначенной для описания осесимметричного пограничного слоя на вращающихся телах, и реализована в системе MATLAB. Сравнение результатов расчета по этой модели с данными экспериментов Парра и Лутандера-Ридбер-га показывает хорошее соответствие, что позволяет использовать модель турбулентности для решения задач пограничного слоя на вращающихся телах, в том числе до точки отрыва потока.

ПРИЛОЖЕНИЕ.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ЛИНЕАРИЗОВАННЫХ УРАВНЕНИЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

Коэффициенты зависят от значения координаты η j , определяющей положение точки сетки на толщине пограничного слоя.

Элементы матриц A 0, C 0 и r 0 , определим из условий на поверхности тела вращения:

1,1        2,2        3,4          5,2          6,47,6

A 0 = A 0 = A 0 = A 0 = A 0 = A 0 =

8,7          9,810,9

A0    A0    A0

A 5, 3 = A 0, 3 = - h i /2, A 4, 3 = 2 v 0 , A 4, 5 = 3 Р 0 ,

A c' 5 = - 4 Re . ^.

5,2       6,4       7,6       8,7       9,810,9

C0    C0    C0    C0    C0    C0

C 0 ,3 = C 0 ,5 = - h i /2.

r 0 4 = Re x w v 2 — ^ 2 P 02 , r 05 = ( r 4 ) e , r 06 = ( r 5 X .

Уравнения импульсов задаются одинаково при всех j = 1,..., J , поэтому первые 4 строки матриц A j , B j , C j и r j будут одинаковы во всех областях пограничного слоя:

A '3» = = 1,   A“ = - h j /2,   A 34 = ( » з ) j ,

A 3" = ( » 5 ) j ,A 33 = ( ^ i ) j , = ( » 7 ) j ,

A j '= ( в з ) j ,A 42 = ( в 5 ) j . = ( 0 9 ) j .

A 4" = ( в '   A = ( в j B   B j ' — - 1,

B 2'2 — - A , /2, B3J = ( $ 4 j B — ( $ 6 j

B   = ( $ 2 AB ; = ( $ 8 j B 4 A j

r 80 — ( r 5 j , r 90 — ( r dk j , r j 0 — ( r de j ,

где D 1 gjs d v

j 0 5 p ( m ) CS ,

B' = ( в ) , B 4 = ( P 10 ) , , B" = ( e j

B 4 = ( в ) , . r = 0, j = ( Г 1 ) , , / = ( r ) , ,

r4 ( r 3 ) j., первые четыре строки матриц C , -

нулевые.

( r i ) ,-, ( r 5 ) j , а также ( $ 1 ) j ,-, ( $ 8^ , ( А ) j ,..., ( в 10 ) , соответствуют коэффициентам линеаризации уравнений импульсов в меридиональном и окружном направлениях [4].

Задание модели турбулентности в различных областях пограничного слоя приводит к определению нижних шести строк матриц A , B , C , r в каждой из областей отдельно:

- пристенная область, в которой турбулентность описывается алгебраической моделью,

D 3 —- 2Re x c , k j 0 , D 4 ( g m ) CS ,

D 5 — 2Re x c ^ k j 0 V j 0 , D 6 — 2Re , c ^ k 20 П 2 P j 0 , D 7 — 2Re x c M k j 0 [ v 20 + П 2 p 200 ] , D 8 — - 2 g j 0 ,

( rD 1 ) j 0 Re x cnkj 0 - (g m ) CS8j 0

( rD 2 ) j 0    g j 0

Re x c Mkj 0 [ v j 0 + ^ P j 0 ] .

- область пограничного слоя с k - £ моделью турбулентности, j j 0 + 1,..., J - 1 :

A 7,2 a 8,4 A 9,6 A 10,8

A 7,3 a 8,5 A 9,7 A 10,9

_

_

1,

■ h j+ 1 /2 ;

j V-j - 1 :

A 5’ k ( « 2 k - 1 ) j , a , k ( ^ 2 k -1 ) y ,

B jk —( ^ 2 k ^B y k —( « 2 kj k 1,...,9 ;

A 5,2 a 6,4 a 7,6 a 8,7

— A9’8

— A j 09

- 1,

C

A 5;3 A A 77 a9’9 — - h , + 1 /2, ,

C

7,3

■j

7,2 j

C

C

18'5 C 9 7 C j 0,9 — - h j + 1 /2 ,

' 8"— C 9,6 C^7 1,r 5 ( Г к ) j ,

C 5/ C" C” C j — - h + 1 /2 , r j I r /,

5 2 C

6 4

C j

C j C j7 C98 C j 0-9 1 ,

r j — ( r E )p r j 0 ( r de ) j ,

r 7 —( r 4\,  r j —( r 5 \, r J — ( r dk )p

где коэффициенты уравнения k :

r j — ( r5 ) j r j — ( r dk \■ , r / — ( r de ^' , коэффициен-

ты матриц нижних шести строк B j нулевые,

( « 1 ) j

( r dk ) j - 1 kj- 1 - kj + h j S jA Q

n mA   n x n 0(0f )

—     $ + $

2 j 2 j 1/2 5 f (5 x j

( r de ) j - 1    8j - 1    £ j + hj q j - 1/2 .

( « 2 ) j

n m,   „ x „ didf 1

$ j - 1 +      $ j - 1/2 - 4, I I

2        2 dj V dx ) • 1

- граница между различными моделями турбулентности j j 0 . На этом слое матрица B j 0 вычисляется по правилам пристенной области, матрица C j 0 вычисляется по правилам для области пограничного слоя с k - g моделью турбулентности, а 5-10 строки матриц A j 0 и r j 0 имеют вид:

з ) j

( « 4 ) j

A

7,2 j 0

8,4

A j 0

9,6

A j 0

10,8

A j 0

- 1,

7,3       8,5       9,710,9

A j 0    A j 0    A j 0    A j 0      h j + 1 / 2,

5,3              5,5               5,65,8

A j 0   D1, A j 0   D2, A j 0   D3 , A j 0

6,3              6,5               6,66,8

A j 0   D5 , A j 0   D6 , A j 0   D7 , A j 0   D8

( « 5 ) j

( « 9 ) j

n 1 n

- m 2 k j

- m n k n - 1

r 50 — ( rD 1 j ,

r j 0 — ( r D 2 j ,

' 0 — ( r 4 ) 7 0 ,

x ( d k I

2 1 dr 1

2 ( d x / j - 1/2

n x ( dk I

2 1 dr 1

2 ( d x / j - 1/2

1 ( 5 P I ( A 1 ( 5 P I

—          , ( a )

2 (d v ), V 6’ j 2 (d v )

1 (d P 1

2 (5 P j

( a 10 ) j

1 (d P )

2 ( d P ) j - 1

( а 11 ) j

h j15

n

с b 2

n

д P

n

8 к

с к

n m 2 u

n

(Ф 3 ^

-

1 (^ Q 2 " 2 ( д к Jj

x n

-

2

u "    -д-Г

j -1/2 д к (

( а 12

) j =

- h5 n - 1

( d b 2 2 "

( к J j - 1

1 (

+ -

2 (

d p 2 n _ a k J j -1

- m 2 n

" - 1 ( j -1 2 (

8 Q 2 " - . ak J j _ i

x n

u

2

n A(‘ j -1/2 дк ( <

( а 13

)q =

h - ( b 2 ) "

n

+ m^ f n 2 j

xn

+ —

2

m f 2 "

1 /^ Y I

( ил J j - 1/2

( а 14

) j =

n mn

- h / ( b 2 ) j - i +

ru +

H xn fa r 2

2 x J

n

,

,

1/2

( a i5 ) ,-

с к

д x

Л n ''2n+ 1 f5P2 n J9Q2 s

( де Jj 2 [( де J j ( де J

n

- 2 ( 3 m - 1 ) е , - ,

( ф 4 ) j

( Ф 5 ) j

= 1(

2 1

Р _ 2 "

( д v J j

( ф б ) j = 2 (

д p x 2 n

. av J j - 1

( Ф 9 ) j

= 1|

2 1

д р _ 2 " ( ap J j

( Ф 10 ) j = 2

(дА 2 ( д p J j -

n

( Ф 11 ) j

- 1q" l^ b ^ h j q j ( д к

( d P1 2 n ( д к J j

( ^ 15 ) j

( a i6 ) j

( « 7 ) j   ( « 8 ) j   ( « 17 ) j   ( « 18 ) j   0 >

-, „ (дь3 2n 1 (дq, 2n hq j j (де J j 2 ( де J j

- 2 ( 3 m n -1 ) u n

_ x n n ^(д е 2

2 u j - 1/2 д е x J

( r K ) j = -[( b 2 5 ) - ( b 2 5 ) n - i ] h r -

- [ ^1/2 - Q n - i/2 - 2 m ( uk ) n - 1/2 + m i n ( f5 ) n - 1/2 ] +

( ^ is ) j

,-i „ (дь3 2n      1 (дq 12n j qj-11 I - I I

( д е J j _ ,    2 ( д е J j - ,

+ x n u n - 1/2

n

5 j - 1/2

I f J n 2, (д x J j - 1/2 J

-2 ( 3 m n -1 ) и " - ,

b 2 = 1 = 1 + c_^ Re x k 2 , P = Re k Г v 2 + M p 2 1 , о к       ° -      е Ц x е [          ]

( ^ 17 ) j

n

= h j -* ( b 3 ) " + m |L f j”

„      db2   c ^     2 к   д b2   с ц      - к 2

Q = £, ~= = ~ Rex —,   = ~ Rex — , дк   ак     е   д е   ок     е

( ^ 18 \

-

h j 1 ( b 3 ) " - ,

+ m " f " . + x 2 ( f 2 n

2 j 1 - 1     2 x J j - ,/2

Q = = 1, д р = 2 с Re - Г v 2 + П 2 p 2 ], д е        дк Ц x е [            ]

(Ф 7 ) j =( ) j = ( ^ 13 ) j = ( ^ 14 ) j = 0 ,

д p

---= с д е    Ц

Re x е 2 [ v 2

+ п 2 p 2 ] ,

( Г е ) , = -[ ( b 3 q ) n - ( b 3 q ) " - , ] h J '-[ ( P , ) _„ , -

д Pop- 2 — = 2с„ Re, —v , д v Ц x е ’ уравнение е:

— = 2с Re, — П2p

Ц x                а дp          е

е

- ( Q , ) " - 1/2 + m n ( f q ) " - ,,. - ( 3 m n - 1 ) ( и е ) " - 1,2 ]+

m n

( Ф ) j = -q q j 2

x n

q n - 1/2

Ar f 2 n д f x J j

г+        с

b 3 = 1 + -m = 1 + ^ Re сте         ct-

k 2

е

mn ф )j =    qj-1

n xn 2 qj - 1/2

A( f 2 n д f x j

P i = с - 1 с ц Re xk [ v 2 + п 2 p 2 ] , Q 1

_ е 2 с е 2 , , k

'Q 2 c L 5 Q - c £

Be       e 2 k ' 8k       e 2 k1

( r E 2 ) J

d e ) ”         ( e JN ) / x

— + c ?--+ (3 m? — 1) e T ax) J e 2 kJ      ( 2 ) J cP dP

0, — = 2 cC Re. kv,

,                  £ 1 Ц X , de     d v

Вычисление производных проводится по

1 = 2 c£Xc Re.,. k Q 2 p о 1 Lt        X                 ,

5 p

схеме

(f} ( d x J

A 1 f n —2 + A 2 f n —1 + A 3 f n , где в

случае использования первого порядка A 1 0 ,

— — c£Xc Re.,. Г v 2 + Q 2 p 2 1 d k о 1 ц . _             J .

A 2 —---—, A 3 — x„ — x„—1

, в случае второго ■ n xn 1

- внешняя граница пограничного слоя, j J . B J в таком случае может быть вычислена по правилам для основной части пограничного слоя, матрицы же A J и r J примут вид: A jk ( « 2 k - 1 ) . , A jk ( ^ 2 k - 1 ) . , k 1,..., 9 ;

порядка A 1

xn xn 1

( xn 2 xn 1 )( xn 2 xn ) ,

A .\ ■ 1, A J ,6 E 1 , A J ,8 e 2 , Aw E 3 ,

A J 08 = E 4 , Г 5 = ( r K ) j , Г 6 = ( r E ) j , Г 7 = 0,

J = 0 , Г 9 = ( r E 1 ) j , J = ( r E 2 ) j ,

xn xn 2

( xn 1 xn 2 )( xn 1 xn ) ,

2 xn xn 1 xn 2

( xn xn 2 )( xn xn 1 ) ,

причем производные вида

"A(d f _)!

_ a f (d x J_ .

A 3 .

n „ 5 (5 k ) n где E = 2 mn + xn — — , 1      2       5 k Vdx) j

( e n ) 2 J

E 3       c o 2 , x2

( J

E 2 = 1,

n Й n 5 (de ) n       2 e J

Ед — (3 m^ — 11 + x — — + c ---

4 ( 2     ) de u x ) J 0 2 k J ,

< dkY xn l^k I + eJ + 2mnkJ (5x ) J

Список литературы Модель турбулентности k - в задаче пограничного слоя на вращающихся телах

  • Parr O. Untersuchungen der dreidimensionalen Grenzschicht an rotierenden Drehkörpern bei axialer Anströmung//Applied Mechanics. 1963. Vol. 32. N. 6. P. 393-413.
  • Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел. М.: Физматлит, 1960. 260 с.
  • Cebeci T. Analys of Turbulent Flows, Elsevier, 2004. 376 p.
  • Куркин Е.И., Шахов В.Г. Пограничный слой на вращающихся осесимметричных телах при их осевом обтекании//Вестник Санкт-Петербургского университета. 2008. Сер. 10. Вып. 4. С. 38-49.
  • Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен, М.: Мир, 1987. 590 с.
Статья научная