Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования

ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,757

МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАКЕТА FLUENT ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В КАНАЛЕ

Гилев В.М. 1, 2 Лукашевич С.В. 1 Морозов С.О. 1
1 ФГБУН Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН
2 Новосибирский государственный технический университет
1. URL: www.fluent.com/software/fluent.
2. Звегинцев В.И. Газодинамические установки кратковременного действия // Часть 1. Установки для научных исследований. – Новосибирск: Параллель, 2014. – 551 с.
3. Запрягаев В.И., Гилев В.М., Певзнер А.С., Собстель Г.М., Гаркуша В.В., Яковлев В.В. Автоматизированные системы сбора и обработки экспериментальных данных в аэродинамических трубах периодического действия // Проблемы и достижения прикладной математики и механики: к 70-летию академика В.М. Фомина: сб. науч. трудов / ред. кол.: Федоров А.В. (отв. ред.) и др. – Новосибирск: Параллель, 2010. – С. 183–192.
4. Gilyov V.M., Garkusha V.V., Zvegintsev V.I., Lukashevich S.V., Mishnev A.S., Shiplyuk A.N., Shpak S.I., Yakovlev V.V. Automated system of data acquisition and management of the short duration high speed wind tunnel // 17th International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR’2014) (Russia, Novosibirsk, 30 Jun. – 6 Jul., 2014): Abstracts. Pt. II. – Novosibirsk, 2014. – P. 59.
5. Гилев В.М. Средства автоматизации аэродинамического эксперимента // Харитонов А.М. Техника и методы аэрофизического эксперимента: учеб. пособие для вузов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. – С. 497–536. – (Учебники НГТУ).
6. Vashchenkov P.V., Gilyov V.M., Ivanov M.S., Vaganov A.V. Numerical simulation of a rarefied gas flow around a delta wing with blunted leading edges at an angle of attack // XV International conference on the methods of aerophysical research (ICMAR’2010) (Novosibirsk, Russia, 1 – 6 nov., 2010): Abstracts. Pt. 2. – Novosibirsk, 2010. – P. 252–253.

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).


Библиографическая ссылка

Гилев В.М., Гилев В.М., Лукашевич С.В., Морозов С.О. МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАКЕТА FLUENT ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В КАНАЛЕ // Международный журнал экспериментального образования. – 2014. – № 11-1. – С. 20-21;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6199 (дата обращения: 21.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074