Моделирование крупномасштабных вихрей

Моделирование крупномасштабных вихрей [c.213]

Область промежуточных чисел Рейнольдса. Для течений, характеризующихся промежуточными значениями числа Рейнольдса, обычно возможны только экспериментальные исследования, позволяющие установить некоторые эмпирические соотношения. В настоящее время в связи с бурным развитием вычислительной техники существует тенденция ко все большей замене экспериментов численными расчетами. Основные усилия направлены на решение так называемых усредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса (см. 2.2.1) с использованием более или менее детальных моделей турбулентности. Конечной целью является численное решение полных временных уравнений Навье — Стокса, включая прямое численное моделирование крупномасштабных турбулентных вихрей. При этом модельное описание остается необходимым только для мелких вихрей, размер которых меньше шага разностной сетки. Предполагая, что существующие тенденции развития вычислительной техники сохранятся и в будущем, можно заключить, что к 1990 г. станут реальными расчеты течений с учетом турбулентных вихрей на сетке, состоящей из 10 —10 узлов [12]. [c.136]

Поскольку коэффициенты вязкости и диффузии для воздуха и воды малы, то можно подумать, что их эффектами можно пренебречь совсем. Однако их важность для крупномасштабных движений уже обсуждалась, а их эффекты вблизи границ являются особенно существенными. Например, условие (4.П.11) требует непрерывности касательной компоненты скорости в атмосфере и в океане на границе раздела, тогда как невязкая модель дает большой разрыв касательной скорости. На деле это приводит к больш.ому сдвигу или градиенту скорости около границы. Толщина области большого сдвига (называемого пограничным слоем) определяется коэффгщиеитом вязкости, если сдвиг достаточно мал, как в некоторых лабораторных ситуациях. Однако в атмосфере и океане сдвиг (см. разд. 2.4) почти всегда так велик, что малые возмущения растут самопроизвольно, забирая энергию от сдвигового течения и создавая при этом турбулентный пограничный слой. Перенос импульса, тепла, влажности, соли и т. д. в таких случаях происходит путем вихревого движения, исключая очень тонкий слой около границы, в котором преобладают процессы молекулярного переноса. Природа вихревого движения (и, следовательно, значения скоростей переноса) неполностью определяется сдвигом. Конвекция, связанная с тем, что тяжелая жидкость лежит над легкой, также может создавать вихри или изменять вихри, вызванные сдвигом. На скорости переноса могут также влиять свойства поверхности или некоторым прямым воздействием, или косвенно через форму поверхности (загрязнения меняют свойства воли и скорости переноса импульса волнами). Для моделирования крупномасштабных движений атмосферы и океана детальная структура пограничного слоя не может быть учтена. Вместо этого скорости переноса через границу связываются со свойствами границы и свойствами атмосферы или океана иа некотором расстоянии от границы. В частности, такое представление эффектов турбулепт-иого сдвигового потока принимает вид, указанный в разд. 2.4. Например, касательное напряжение иа дне океана или на нижней границе атмосферы можно вычислить согласно (2.4.1). Существование этого напряжения ведет к тому, что энергия отнимается от океана или от атмосферы, так что этот эффект иногда называется донным трением . Потоки тепла и воды между океаном и атмосферой рассматриваются аналогичным способом с использованием эмпирических граничных условий типа рассмот-рсш1ых в гл. 2. [c.115]

В [30] представлены результаты численного моделирования турбулентного пограничного слоя, сформированного под действием распространяющегося плоского скачка вдоль запыленной стенки. Задача формулировалась в связанных со скачком координатах. Смесь моделировалась как единый газ различной начальной плотности, т. е. предполагалось тепловое и скоростное равновесие фаз. Кроме того, предполагалось, что как чистый газ, так и смесь его с частицами описываются одним значением показателя адиабаты, равным 1.4. Концентрация сдвигового слоя на стенке в начальный момент времени аппроксимировалась функцией tanh(x). На границе накладывались дополнительно синусоидальные возмущения. Решение соответствующей краевой задачи для уравнений нестационарной газовой динамики, к которой свелась задача определения поля течения, было проведено методом Годунова высокого порядка точности. Численные расчеты по определению положения сдвигового слоя показали, что он свернут во вращающиеся структуры, которые подхватывают материал из слоя. Пограничный СЛ.ОЙ растет линейно с расстоянием за скачком в результате крупномасштабного слияния этих вихрей. Результаты сравниваются с экспериментальными данными [31]. Влияние пыли на поток газа заключалось в изменении скорости потока, особенно в пристенной области, где высока плотность пыли. При этом неравновесные эффекты, вязкость жидкости и пространственная картина течения слабо влияют на параметры потока. [c.198]

Изучению поля течения в окрестности сопряжения тела, передняя кромка которого представляла собой эллипс или цилиндр, посвящены работы [66—69]. Весьма сложная картина течения в окрестности сопряжения цилиндрического тела и плоской стенки, характеризующаяся формированием зон нестационарности и двух пар вихрей, обнаружена в [70] при моделировании обтекания круглого здания в приземном слое атмосферы. В [68 и [71 существование комбинации из двух пар вихрей не отмечается, хотя, судя по приведенной авторами картине визуализации предельных линий тока в окрестности сопряжения крылового профиля с эллиптической передней кромкой и плоской стенки, дополнительные вихри вполне могли быть. Тщательные измерения поля средней скорости с помощью ЛДИС [58 ], а также комплексные измерения с помощью пятиканального зонда и ЛДИС вместе с визуализацией течения [72 ] в окрестности сопряжения крылового профиля с цилиндрической передней кромкой и плоской стенки позволили установить следующее. В плоскости симметрии реализуется поле течения с двумя вихрями, один из которых (крупномасштабный) оказывает доминирующее влияние на картину течения, а второй (мелкомасштабный), вращающийся в противоположном направлении, формируется в непосредственной бли- [c.227]