Рассматривается задача высокоскоростного течения газа в осесимметричном канале с подводом и без подвода тепла. Решение осуществляется численным методом с использованием пакета FLUENT. Используется k-omega SST модель турбулентности. Целью работы является определение влияния локального подвода тепла на характеристики течения в канале.
В настоящее время вычислительный эксперимент стал одним из важнейших инструментов при изучении задач аэродинамики и тепломассообмена. Информация, полученная с помощью численных расчетов, позволяет не только правильно осмыслить и понять физические эффекты, наблюдаемые, например, в эксперименте, но и в некоторых случаях заменить физический эксперимент компьютерным как более дешевым. Иногда компьютерный эксперимент является единственно возможным. Учитывая дальнейший прогресс в развития вычислительной техники и численных методов, можно ожидать, что в перспективе роль компьютерного моделирования еще больше возрастет, как в создании новых образцов техники, так и в исследовании процессов и явлений, происходящих в окружающем мире.
В настоящее время для проведения расчетов в области вычислительной гидродинамики, тепломассообмена, прочности и других областей техники широкое распространение получили инженерные вычислительные пакеты. Среди них важное место занимает пакет FLUENT [1]. Данный пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном изменения теплофизических свойств посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью. Он дает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет с хорошей точностью предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, многофазные потоки и другие явления на основе гибкого построителя сеток и их адаптации к получаемому решению.
В представляемой работе с помощью пакета FLUENT исследовалось стационарное течение газа в осесимметричном канале переменного сечения и подводом тепла. Подвод тепла осуществляется в области канала протяженностью 500 мм от входа. Количество подведенного тепла составляет 2∙106 Вт/м3.
Для решения поставленной задачи методом прямого численного моделирования в пакете FLUENT была подготовлена необходимая расчетная сетка. Количество ячеек поперек канала составляло n = 100, всего ячеек N = 67200. Для разрешения пограничного слоя использовалось сгущение ячеек сетки поперек канала к стенке до 0,01 мм. Также реализовывалось сгущение сетки вдоль канала к входу и к сужающейся-расширяющейся части.
Граничное условие на входе в канал задается как постоянное значение массового расхода (граничное условие типа mass flow inlet), на выходе задается давление P0 = 0 Па (граничное условие типа pressure outlet). Стенка канала задается как wall с условием прилипания и постоянной температурой Tw = 300 К.
Для описания рабочего газа использовалась модель совершенного газа. Расчет теплопроводности проводится в рамках кинетической теории, вязкости – по формуле Сазерленда с тремя постоянными.
Для описания турбулентного пограничного слоя использовалась k-omega SST модель.
Полученные результаты. По результатам моделирования определялись распределения скорости в потоке. Получены контуры числа Маха с подводом тепла и без подвода тепла. Было обнаружено, что в основной части канала число Маха меньше 1, а в расширяющейся части – больше 1, в обоих случаях, что соответствует ожидаемым результатам.
Также были определены контуры полной температуры, как с подводом тепла, так и без подвода. Обнаружено, что полная температура потока в случае с подводом тепла значительно больше, чем в случае без подвода тепла.
Сравнение контуров статического давления без подвода тепла в канал и с его подводом показало, что подведенного количества тепла достаточно для того, чтобы увеличить давление примерно на 50 %. После сужающейся части (в сверхзвуковой области) давление падает в обоих случаях. Было обнаружено, что по мере удаления от левой границы вязкий турбулентный пограничный слой нарастает.
Результаты расчетов сравнивались с данными экспериментального моделирования [2–5]. Получено их качественное совпадение.
Заключение
Таким образом, в процессе выполнения данной работы с помощью пакета FLUENT был произведен расчет стационарного течения газа в круглом длинном канале. Было рассмотрено два случая: с подводом тепла и без подвода тепла. В обоих случаях с использованием пакета FLUENT позволило получить удовлетворительные качественные результаты. Проведено сравнение двух случаев, которое показало, что в случае с подводом тепла давление в канале увеличивается на 50 %.
В работе показано, что использование пакета FLUENT позволяет с достаточной точностью рассчитать характеристики потока в канале.
В дальнейшем предполагается проведение более подробных численных исследований области течения газа, а также решение других актуальных задач вычислительной газодинамики.
Выполнение данной работы осуществлялось при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 12-07-00548 и № 13-07-00440).