Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Математика \ Вычислительная математика. Численный анализ

Моделирование турбулентных течений на основе подхода IDDES c помощью программы ZFLARE

Моделирование турбулентных течений на основе подхода IDDES c помощью программы ZFLARE

Автор: Трошин А.И., Молев С.С., Власенко В.В., Михайлов С.В., Бахнэ С., Матяш С.В.

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 2 т.16, 2023 года.

Бесплатный доступ

Описывается опыт вихреразрешающих расчетов турбулентных течений с использованием программы zFlare, разработанной в ЦАГИ и являющейся его собственностью. Программа позволяет рассчитывать трехмерные нестационарные течения произвольной геометрии на базе или нестационарных уравнений Рейнольдса, или гибридного вихреразрешающего подхода. Обсуждаются возможности программы zFlare, касающиеся применимости к трехмерным турбулентным течениям однокомпонентного газа с постоянной теплоемкостью. Для замыкания уравнений турбулентного движения служат: основанная на гипотезе Буссинеска модель турбулентности Ментера и ее аналог для гибридного вихреразрешающего подхода; две небуссинесковых модели турбулентности - модель Се́коры с соавторами и ее оригинальный аналог для гибридного вихреразрешающего подхода. Дается полное описание небуссинесковых моделей. Представляется численная постановка тестовых примеров вихреразрешающих расчетов по программе zFlare: затухание изотропной турбулентности; развитое турбулентное течение в плоском канале; турбулентное течение в гладком расширяющемся канале с отрывом пограничного слоя. Два первых теста применяются при настройке коэффициентов моделей для гибридного вихреразрешающего подхода, а третий - для валидации этих моделей. Сравниваются данные, полученные по программе zFlare (с помощью гибридного вихреразрешающего подхода и на основе уравнений Рейнольдса), с известными для каждого теста эталонными данными и с результатами вычислений других авторов. Как показал тест о дозвуковом течении в гладком канале с расширением и отрывом пограничного слоя, новый небуссинесковый гибридный вихреразрешающий подход существенно лучше предсказывает поле средней скорости, чем аналогичный расчет по гибридной модели, основанной на гипотезе Буссинеска.

Еще

Газовая динамика, гибридные методы расчета, urans, iddes, программа цаги zflare, численная реализация, верификационные расчеты

Короткий адрес: https://sciup.org/143180514

IDR: 143180514   |   УДК: 519.6,   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.2.18

Turbulent flow simulation based on the IDDES approach using the code ZFLARE

The experience gained in scale-resolving simulations of turbulent flows using the in-house code zFlare developed at the Central Aerohydrodynamic Institute (TsAGI) is described. The code allows simulating the three-dimensional unsteady flows of arbitrary geometry on the basis of either unsteady Reynolds equations or a hybrid scale-resolving approach. The capabilities of the code zFlare concerning its applicability to the three-dimensional turbulent flows of a single-component gas with a constant heat capacity are discussed. To close the equations of turbulent motion, the following models are used: the Menter turbulence model based on the Boussinesq hypothesis and its analogue for the hybrid scale-resolving approach, and two non-Boussinesq turbulence models: the Cécora et al. model and its original analogue for the hybrid scale-resolving approach. A full description of non-Boussinesq models is provided. The numerical set-up of the test examples of scale-resolving simulations based on the code zFlare is presented: the isotropic turbulence decay; the developed turbulent flow in a plane channel; the turbulent flow in a smooth expanding channel with the boundary layer separation. The first two tests are used to adjust the coefficients of the models for hybrid simulations, and the third one is used to validate these models. The results obtained with the zFlare code (using the hybrid approach and based on the Reynolds equations) are compared with the known reference data for each test case and with the results of simulations by other authors. The test case concerning the subsonic flow in an expanding channel and the boundary layer separation shows that the new non-Boussinesq hybrid scale-resolving method predicts the average velocity field significantly better than the analogous hybrid simulation using the Boussinesq hypothesis-based model.

Еще

Список литературы Моделирование турбулентных течений на основе подхода IDDES c помощью программы ZFLARE

  • Reynolds O. On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the determination of the criterion // Proc. R. Soc. Lond. 1894. Vol. 56. P.40-45. http://dx.doi.org/10.1098/rspl.1894.0075
  • Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. DCW Industries, 2006. 544 p.
  • Engblom W.A., Georgiadis N.J., Khavaran A. Investigation of variable-diffusion turbulence model correction for round jets // Proc. of the 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference. Monterey, California, USA, May 23-25, 2005. 19 p. https://doi.org/10.2514/6.2005-3085
  • Трошин А.И. Модель турбулентности с переменными коэффициентами для расчетов слоев смешения и струй // Изв. РАН. МЖГ. 2012. № 3. С. 39-48. (English version https://doi.org/10.1134/S0015462812030052)
  • Бабулин А.А., Босняков С.М., Власенко В.В., Енгулатова М.Ф., Матяш С.В., Михайлов С.В. Опыт валидации и настройки моделей турбулентности применительно к задаче об отрыве пограничного слоя на клине конечной ширины // ЖВМиМФ. 2016. Т. 56, № 6. P. 1034-1048. https://doi.org/10.7868/S0044466916060053
  • Dolling D.S. High-speed turbulent separated flows: Consistency of mathematical models and flow physics // AIAAJ. 1998. Vol. 36. P. 725-732. https://doi.org/10.2514/2.460
  • Sagaut P. Large eddy simulation for incompressible flows: An introduction. Springer Science & Business Media, 2006. 558 p.
  • Mockett C., Fuchs M., Garbaruk A., Shur M., Spalart P., Strelets M., Thiele F., Travin A. Two non-zonal approaches to accelerate RANS to LES transition of free shear layers in DES // Progress in hybrid RANS-LES modeling / ed. S. Girimaji, W. Haase, S.-H. Peng, D. Schwamborn. Springer, 2015. P. 187-201. https://doi.org/10.1007/978-3-319-15141-0_15
  • Spalart P.R., Jou W., Strelets M., Allmaras S. Comments on the feasibility of LES for wings, and on a hybrid RANS/LES approach // Advances in DNS/LES / ed. C. Liu, Z. Liu. Greyden Press, Columbus, 1997. P. 137-147.
  • Travin A., Shur M., Strelets M., Spalart P. Detached-eddy simulations past a circular cylinder // Flow, Turbulence and Combustion. 2000. Vol. 63. P. 293-313. https://doi.org/10.1023/A:1009901401183
  • Gritskevich M.S., Garbaruk A.V., Schütze J., Menter F.R. Development of DDES and IDDES formulations for the k-ω shear stress transport model // Flow Turbulence Combust. 2012. Vol. 88. P. 431-449. https://doi.org/10.1007/s10494-011-9378-4
  • Босняков С.М., Власенко В.В., Енгулатова М.Ф., Зленко Н.А., Матяш С.В., Михайлов С.В. Программный комплекс для создания геометрии ЛА, создания многоблочной 3-х мерной расчетной сетки, получения полей течения при помощи решения системы уравнений Эйлера и системы уравнений Навье-Стокса, осредненных по времени обработка результатов расчета (EWT). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008610227 от 09.01.2008. Реестр программ для ЭВМ, 2008.
  • Neyland V., Bosniakov S., Glazkov S., Ivanov A., Matyash S., Mikhailov S., Vlasenko V. Conception of electronic wind tunnel and first results of its implementation // Progr. Aero. Sci. 2001. Vol. 37. P. 121-145. https://doi.org/10.1016/S0376-0421(00)00013-0
  • Михайлов С.В. Программа, реализующая зонный подход, для расчета нестационарного обтекания вязким потоком турбулентного газа сложных аэродинамических форм, включая крыло с механизацией (ZEUS). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2013610172 от 12.112012. Реестр программ для ЭВМ, 2012.
  • Михайлов С.В. Объектно-ориентированный подход к созданию эффективных программ, реализующих параллельные алгоритмы расчета // Труды ЦАГИ. 2007. Вып. 2671. С. 86-108.
  • Власенко В.В., Михайлов С.В., Молев С.С., Трошин А.И., Ширяева А.А. Программа для численного моделирования трехмерных течений с горением в каналах прямоточных воздушно-реактивных двигателей в рамках подходов URANS и DES с применением моделей взаимодействия турбулентности с горением, технологии дробного шага по времени и метода пристеночных функций (zFlare). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019610822 от 18.01.2019. Реестр программ для ЭВМ, 2019.
  • Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAAJ. 1994. Vol. 32. P. 1598 1605. https://doi.org/10.2514/3.12149
  • Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbulence, heat and mass transfer. 2003. Vol. 4. P. 625-632.
  • Boussinesq J. Essai sur la théorie des eaux courantes. Imprimerie nationale, 1877. 744 p.
  • Cécora R.D., Radespiel R., Eisfeld B., Probst A. Differential Reynolds-stress modeling for aeronautics // AIAAJ. 2015. Vol. 53. P. 739-755. https://doi.org/10.2514/1.J053250
  • Speziale C.G., Sarkar S., Gatski T.B. Modelling the pressure–strain correlation of turbulence: An invariant dynamical systems approach // J. Fluid Mech. 1991. Vol. 227. P. 245-272. https://doi.org/10.1017/S0022112091000101
  • Launder B.E., Reece G.J., Rodi W. Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure // J. Fluid Mech. 1975. Vol. 68. P. 537-566. https://doi.org/10.1017/S0022112075001814
  • Shur M., Strelets M., Travin A. High-order implicit multi-block Navier-Stokes code: Ten-year experience of application to RANS/DES/LES/DNS of turbulence. P. 5-7. https://cfd.spbstu.ru/agarbaruk/doc/NTS_code.pdf (дата обращения: 14.06.2023)
  • Абалакин И.В., Горобец А.В., Дубень А.П., Козубская Т.К., Бахвалов П.А. Параллельный программный комплекс NOISETTE для крупномасштабных расчетов задач аэродинамики и аэроакустики // Выч. мет. программирование. 2012. Т. 13, № 3. C. 110-125. https://www.mathnet.ru/links/17096eed2555f65a68f3f85521d5569f/vmp77.pdf
  • Cheprasov S.A., Lyubimov D.A., Secundov A.N., Yakubovsky K.Y., Birch S.F. Computational modeling of the flow and noise for 3-D exhaust turbulent jets // Computational Fluid Dynamics 2010 / Ed. A. Kuzmin. Springer, 2011. P. 903-908. https://doi.org/10.1007/978-3-642-17884-9_121
  • Favre A. Equations des gaz turbulents compressibles. 2. Methode des vitesses moyennes; methode des vitesses macroscopiques ponderees par la masse volumique // Journal de mecanique. 1965. Vol. 4, no. 3. P. 391-421.
  • Shur M.L., Spalart P.R., Strelets M.K., Travin A.K. An enhanced version of DES with rapid transition from RANS to LES in separated flows // Flow Turb. Combust. 2015. Vol. 95. P. 709-737. https://doi.org/10.1007/s10494-015-9618-0
  • Daly B.J., Harlow F.H. Transport equations in turbulence // Phys. Fluids. 1970. Vol. 13. P. 2634-2649. https://doi.org/10.1063/1.1692845
  • Bell J.H., Mehta R.D. Development of a two-stream mixing layer from tripped and untripped boundary layers // AIAAJ. 1990. Vol. 28. P. 2034-2042. https://doi.org/10.2514/3.10519
  • Власенко В.В. О математическом подходе и принципах построения численных методологий для пакета прикладных программ EWT ЦАГИ // Труды ЦАГИ. 2007. Вып. 2671. С. 20-85.
  • Bosnyakov S., Kursakov I., Lysenkov A., Matyash S., Mikhailov S., Vlasenko V., Quest J. Computational tools for supporting the testing of civil aircraft configurations in wind tunnels // Progr. Aero. Sci. 2008. Vol. 44. P. 67-120. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2007.10.003
  • Бахнэ С., Власенко В.В., Волощенко О.В., Зосимов С.А., Иванькин М.А., Курсаков И.А., Матяш С.В., Михайлов С.В., Молев С.С., Морозов А.Н., Николаев А.А., Ноздрачев А.Ю., Сабельников В.А., Сысоев А.В., Трошин А.И., Ширяева А.А. Опыт тестирования и применения программы zFlare для численного моделирования течений с горением в каналах // Труды ЦАГИ. 2022. Вып. 2810.
  • Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математичечкие вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. М.: Физмалит, 2001. 656 c.
  • Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Прокопов Г.П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.
  • Guseva E.K., Garbaruk A.V., Strelets M.K. An automatic hybrid numerical scheme for global RANS-LES approaches // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. Vol. 929. 012099. https://doi.org/10.1088/1742-6596/929/1/012099
  • Власенко В.В. Расчетно-теоретические модели высокоскоростных течений газа с горением и детонацией в каналах / Дисс… д-ра физ.-мат. наук: 01.02.05. Жуковский, ЦАГИ, 2017. 487 с.
  • Петров И.Б., Лобанов А.И. Лекции по вычислительной математике. М.: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. 523 c.
  • Ортега Дж. Введение в параллельные и векторные методы решения линейных систем. М.: Мир, 1991. 370 с.
  • https://cfl3d.larc.nasa.gov/ https://nasa.github.io/CFL3D/ (accessed 14 June 2023) (дата обращения: 19.01.2021)
  • https://fun3d.larc.nasa.gov/ (дата обращения: 14.06.2023)
  • https://turbmodels.larc.nasa.gov/flatplate.html (дата обращения: 14.06.2023)
  • https://turbmodels.larc.nasa.gov/bump.html (дата обращения: 14.06.2023)
  • Chumakov S.G., Rutland C.J. Dynamic structure subgrid‐scale models for large eddy simulation // Int. J. Numer. Meth. Fluid. 2005. Vol. 47. P. 911-923. https://doi.org/10.1002/fld.907
  • Zhou Z., He G., Wang S., Jin G. Subgrid-scale model for large-eddy simulation of isotropic turbulent flows using an artificial neural network // Comp. Fluids. 2019. Vol. 195. 104319. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2019.104319
  • Бахнэ С. Сравнение аппроксимаций конвективных членов в методах семейства DES // Матем. моделирование. 2021. Т. 33, № 7. С. 47 62. https://doi.org/10.20948/mm-2021-07-04
  • Матяш С.В. Некоторые аспекты методической работы по использованию солверов в промышленных расчётах // Труды ЦАГИ. 2022. Вып. 2810.
  • Хинце И.О. Турбулентность, ее механизм и теория. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1963. 681 c.
  • Zhang R., Zhang M., Shu C.W. On the order of accuracy and numerical performance of two classes of finite volume WENO schemes // Comm. Comput. Phys. 2011. Vol. 9. P. 807-827. https://doi.org/10.4208/cicp.291109.080410s
  • Suresh A., Huynh H.T. Accurate monotonicity-preserving schemes with Runge–Kutta time stepping // J. Comput. Phys. 1997. Vol. 136. P. 83-99. https://doi.org/10.1006/jcph.1997.5745
  • Gottlieb S., Shu C.-W., Tadmor E. Strong stability-preserving high-order time discretization methods // SIAM Rev. 2001. Vol. 43. P. 89-112. https://doi.org/10.1137/S003614450036757X
  • Lee M., Moser R.D. Direct numerical simulation of turbulent channel flow up to Reτ ≈ 5200 // J. Fluid Mech. 2015. Vol. 774. P. 395-415. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.268
  • Yang X.I., Park G.I., Moin P. Log-layer mismatch and modeling of the fluctuating wall stress in wall-modeled large-eddy simulations // Phys. Rev. Fluids. 2017. Vol. 2. 104601. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.2.104601
  • Keating A., Piomelli U. A dynamic stochastic forcing method as a wall-layer model for large-eddy simulation // Journal of Turbulence. 2006. Vol. 7. N12. https://doi.org/10.1080/14685240612331392460
  • Bentaleb Y., Lardeau S., Leschziner M.A. Large-eddy simulation of turbulent boundary layer separation from a rounded step // Journal of Turbulence. 2012. Vol. 13. N4. https://doi.org/10.1080/14685248.2011.637923
  • https://turbmodels.larc.nasa.gov/Other_LES_Data/curvedstep.html (дата обращения: 14.06.2023)
  • Zhang S., Zhong S. An experimental investigation of turbulent flow separation control by an array of synthetic jets // Proc. of the 5th Flow Control Conference. Chicago, Illinois, USA, 28 June-1 July, 2010. 16 p. https://doi.org/10.2514/6.2010-4582
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp