Численное моделирование кризиса сопротивления при обтекании сферы с использованием вихреразрешающего подхода

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты моделирования кризиса сопротивления при обтекании сферы в рамках недавно предложенного вихреразрешающего гибридного RANS–LES-подхода, который включает полуэмпирическую модель ламинарно-турбулентного перехода. Расчеты, выполненные в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса, свидетельствуют о том, что используемая комплексная модель качественно правильно описывает все аспекты кризиса сопротивления, в том числе, такие тонкие эффекты как рост амплитуды колебаний боковой силы при значениях числа Рейнольдса близких к критическому. Вместе с тем, полученные результаты показывают, что для достижения точного количественного предсказания критического числа Рейнольдса и деталей процессов ламинарно-турбулентного перехода и отрыва потока при режимах обтекания сферы близких к критическому необходимо использование очень мелких вычислительных сеток.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. С. Стабников

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: an.stabnikov@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Гарбарук

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)

Email: an.stabnikov@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

М. Х. Стрелец

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)

Email: an.stabnikov@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М. -Л.: Гостехиздат, 1950. 676 с.
  2. Шлихтинг Г. Теория Пограничного Слоя. 5-е изд. М.: Наука, 1974. 712 с.
  3. Tiwari S.S., Pal E., Bale S., Minocha N., Patwardhan A.W., Nandakumar K., Joshi J.B. Flow past a single stationary sphere, 2. Regime mapping and effect of external disturbances // Powder Technol. 2020. V. 365. P. 215–243.
  4. Taneda S. Visual observations of the flow past a sphere at Reynolds numbers between 104 and 106 // J. Fluid Mech. 1978. V. 85, № 1. P. 187–192.
  5. Norman A.K., McKeon B.J. Unsteady force measurements in sphere flow from subcritical to supercritical Reynolds numbers // Exp. Fluids. 2011. Т. 51. № 5. С. 1439–1453.
  6. Deshpande R., Desai A., Kanti V., Mittal S. Experimental investigation of boundary layer transition in flow past a bluff body // J. Phys. Conf. Ser. 2017. V. 822. С. 012003.
  7. Sakamoto H., Haniu H. A Study on Vortex Shedding From Spheres in a Uniform Flow // J. Fluids Eng. 1990. V. 112, № 4. P. 386–392.
  8. Constantinescu G., Squires K. Numerical investigations of flow over a sphere in the subcritical and supercritical regimes // Phys. Fluids. 2004. V. 16, № 5. P. 1449–1466.
  9. Muto M., Tsubokura M., Oshima N. Negative Magnus lift on a rotating sphere at around the critical Reynolds number // Phys. Fluids. 2012. V. 24, № 1. P. 014102.
  10. Texier B.D., Cohen C., Quéré D., Clanet C. Physics of knuckleballs // New J. Phys. 2016. V. 18, № 7. P. 073027.
  11. Suzen Y., LeBeau R. Cylinder Flow Simulation Using Combined Hybrid Turbulence and Transition Models // 38th Fluid Dynamics Conference and Exhibit. Seattle, Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2008.
  12. Sørensen N.N., Bechmann A., Zahle F. 3D CFD computations of transitional flows using DES and a correlation based transition model // Wind Energy. 2011. V. 14, № 1. P. 77–90.
  13. You J.Y., Kwon O.J. A Blended Model for Simulating Massive Flow Separation and Laminar-Turbulence Transition // 42nd AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit. New Orleans, Louisiana: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2012.
  14. Hodara J., Smith M.J. Improved Turbulence and Transition Closures for Separated Flows // Proceedings of 41st European Rotorcraft Forum (ERF2015-113). Munich, Germany, 2015. P. 18.
  15. Kim H.J., Kwon O.J. Numerical Simulation of Transitional Flows Using a Blended IDDES and Correlation-Based Transition Model // Comput. Fluids. 2021. 104916.
  16. Spalart P.R., Jou W.H., Strelets M., Allmaras S.R. Comments on the feasibility of LES for winds, and on a hybrid RANS/LES approach. 1997.
  17. Spalart P. R., Deck S., Shur M.L., Squires K.D., Strelets M. Kh., Travin A. A New Version of Detached-eddy Simulation, Resistant to Ambiguous Grid Densities // Theor. Comput. Fluid Dyn. 2006. V. 20, № 3. P. 181–195.
  18. Probst A., Schwamborn D., Garbaruk A., Guseva E., Shur M., Strelets M., Travin A. Evaluation of grey area mitigation tools within zonal and non-zonal RANS-LES approaches in flows with pressure induced separation // Int. J. Heat Fluid Flow. 2017. V. 68. P. 237–247.
  19. Qiao L., Bai J., Hua J., Wang C. Combination of DES and DDES with a Correlation Based Transition Model // Appl. Mech. Mater. 2013. V. 444–445. P. 374–379.
  20. Coder J.G., Ortiz-Melendez H.D. Transitional Delayed Detached-Eddy Simulation of Multielement High-Lift Airfoils // J. Aircr. 2019. V. 56, № 4. P. 1303–1312.
  21. Стабников А. С., Гарбарук А.В. Алгебраическая модель ламинарно-турбулентного перехода для расчета турбулентных течений на основе метода моделирования отсоединенных вихрей // НТВ СПбГПУ. Физ.-мат. науки, 2022, т. 15, № 1, с. 16–29.
  22. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model // Heat Mass Transf. 2003. V. 4.
  23. 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 Turbul. Combust. 2012. V. 88, № 3. P. 431–449.
  24. Shur M., Strelets M., Travin A. High-Order Implicit Multi-Block Navier-Stokes Code: Ten-Years Experience of Application to RANS/DES/LES/DNS of Turbulent Flows // Invited lecture. 7th Symposium on Overset Composite Grids and Solution Technology. Huntington Beach, USA. 2004.
  25. Rogers S., Kwak D. An upwind differencing scheme for the time-accurate incompressible Navier-Stokes equations // 6th Applied Aerodynamics Conference. Williamsburg, VA, U.S.A.: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1988.
  26. Chorin A.J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems // J. Comput. Phys. 1967. V. 2, № 1. P. 12–26.
  27. Travin A., Shur M., Strelets M., Spalart P.R. Physical and Numerical Upgrades in the Detached-Eddy Simulation of Complex Turbulent Flows // Advances in LES of Complex Flows / под ред. Friedrich R., Rodi W. Dordrecht: Springer Netherlands, 2002. V. 65. P. 239–254.
  28. Kim S.-E., Makarov B. An Implicit Fractional-Step Method for Efficient Transient Simulation of Incompressible Flows // 17th AIAA Computational Fluid Dynamics Conference. Toronto, Ontario, Canada: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005.
  29. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. V. 32, № 8. P. 1598–1605.
  30. Achenbach E. Experiments on the flow past spheres at very high Reynolds numbers // J. Fluid Mech. 1972. V. 54, № 3. P. 565–575.
  31. Zore K., Matyushenko A., Shah S., Aliaga C., Stokes J., Menter F. Laminar–Turbulent Transition Prediction on Industrial Computational Fluid Dynamics Applications // J. Aircr. 2023. V. 60, № 1. P. 1–20.
  32. Matyushenko A.A., Stabnikov A.S., Garbaruk A.V. Criteria of computational grid generation for turbulence models taking into account laminar-turbulent transition // J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1400. 077047.
  33. Spalart P.R. Young-Person’s Guide to Detached-Eddy Simulation Grids: Contractor Report NASA/CR-2001–211032. 2001. P. 23.
  34. Nakhostin S.M., Giljarhus K.E.T. Investigation of transitional turbulence models for CFD simulation of the drag crisis for flow over a sphere // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2019. V. 700. P. 012007.
  35. Prandtl L. Ergebnisse der Aerodynamischen Versuchsanstalt zu Göttingen. Verlag R. Oldenbourg: 1923.
  36. Bakić V. Experimental investigation of turbulent flows around a sphere. 2003. P. 86.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Конфигурация расчетной области и многоблочная расчетная сетка Grid1 в плоскости z = 0: (a) – полная область, (б) –фрагмент в окрестности сферы; 1–6 – номера блоков сетки.

Скачать (601KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сравнение осредненных по времени и азимутальному углу расчетных распределений коэффициентов трения и давления на поверхности сферы, полученных при различных числах Рейнольдса, с экспериментальными данными [30]: 1–3 – результаты расчетов на сетках Grid1 – Grid3, 4–6 – результаты экспериментальных исследований при Re = 1.62∙105, 3.18∙105 и 1.14∙106 соответственно.

Скачать (734KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Экспериментальная визуализация обтекания сферы при Re=3.2∙105 с помощью масляной пленки из работы [34]: 1 – ламинарный отрыв, 2 – присоединение турбулентного слоя смешения, 3 – турбулентный отрыв.

Скачать (388KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сравнение расчетной зависимости коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса, полученной на сетке Grid3 (5), с экспериментальными данными [35] (1), [30] (2), [5] (3) и [36] (4).

Скачать (138KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Карта мгновенных полей коэффициента поверхностного трения при Re = 1.4∙105 (а), Re = 2.0∙105 (б) и Re = 4.0∙105 (в): 1 – ламинарный отрыв, 2 – возникновение турбулентных вихрей в слое смешения, 3 – переходный пузырь, 4 – присоединение отрывного турбулентного пузыря, 5 – турбулентный отрыв, 6 – “языки” ЛТП в присоединенном пограничном слое.

Скачать (673KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Визуализация структуры течения в ближнем следе за сферой при Re = 2.0∙105 с помощью мгновенной изоповерхности величины закрутки λ2 = 15, раскрашенной продольной составляющей скорости (а, б) и мгновенные поля давления на задней полусфере (в, г) в моменты времени tU0/D = 33.5 (а, в) и 9.0 (б, г).

Скачать (1MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Расчетные зависимости от времени коэффициентов боковой силы Cside (кривая 1) и силы сопротивления CD (кривая 2) (а) и энергетический спектр Cside (б) при Re = 2.0∙105.

Скачать (175KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение расчетной зависимостей среднеквадратичного отклонения боковой силы rms(Cside) от числа Рейнольдса, полученной в настоящей работе 1 с экспериментальными данными [5] 2.

Скачать (101KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024