ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЙ ОБТЕКАНИЯ НА ОСНОВЕ СРАВНЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
Автор: Максим Игоревич Вдовин
Соавторы: М.И. Вдовин, Д.А. Сергеев, О.С. Ермакова, А.А. Кандауров, Ю.И. Троицкая
Организация: ИПФ РАН
В настоящей работе предлагается методика пошаговой верификации результатов численных расчетов течений обтекания препятствия на основе их сравнения с результатами лабораторных экспериментов, осуществленных в рамках одного исследования.
Лабораторные измерения проводились на замкнутой аэродинамической трубе ИПФ РАН, характеризующейся низким уровнем интенсивности турбулентности (~1%) на входе рабочего участка. В рабочий участок помещался объект препятствия (параллелепипед) для обтекания. Размеры объекта составляли 500х315х47 мм. Поперечный размер практически равен ширине рабочего участка, что обеспечивает двумерный характер обтекания в трубе. Тело устанавливалось на специальный столик, передняя кромка которого имела хорошо обтекаемый профиль, чтобы поток при подходе к препятствию был горизонтальный плоскопараллельный. Скорость воздушного потока в экспериментах составляла 8 м/с. Соответственно число Рейнольса рассчитанное по высоте препятствия равнялось 2,6*104.
Для измерений применялась схема PIV c непрерывной лазерной подсветкой и скоростной видеосъемкой [1]. В качестве модели турбулентности для численного решения задачи использоволся метод отсоединенных вихрей DES, который обеспечивает описание в пристеночной области (пограничном слое) при помощи модели напряжений Рейнольдса RANS, а в удаленной области (в свободной турбулентной струе) – при помощи метода крупных вихрей LES. Для решения нашей задачи в качестве RANS была выбрана модель переноса сдвиговых напряжений Ментера.
Сравнение результатов рассчетов с данными экспериментов осуществлялась в 2 этапа. Вначале сравнивались общие картины поля обтекания. Показано, что рассчет хорошо воспроизводит общую картину включая характерные размеры застойной области. На втором этапе сравнивались пульсационные характеристики воздушного потока обтекания - частотных спектров флуктуаций продольной компоненты скорости воздушного потока, полученных по данным PIV-измерений и численного моделирования. Анализ частотных характеристик представляет наибольший интерес с точки зрения многочисленных практических приложений, например, исследование вопроса генерации звука турбулентностью. Продемонстрировано, что форма рассчетных и экспериментальных спектров хорошо совпадают для эксперимента.
Исследования проведены при поддержке проекта РНФ №18-19-00473, проекта РФФИ №18-48-520023 р_а, гранта Президента СП-1740.2016.1.
1. Сергеев Д.А. Измерительный комплекс для исследования течений жидкости методом Particle Image Velocimetry (PIV) на основе твердотельного лазера с диодной накачкой // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 3, С.138-144
