Моделирование турбулентной естественной конвекции на основе 2-жидкостного подхода

Аннотация

Проводится математическое моделирование турбулентной естественной конвекции воздуха у нагретой вертикальной пластины на основе сравнительно недавно разработанной 2-жидкостной модели турбулентности. Рассмотренная задача, несмотря на свою относительную простоту, содержит в себе все главные элементы, характерные для течений вблизи стенки, обусловленные силами плавучести. Существенным недостатком моделей турбулентности RANS, используемых для решения подобных задач, является то, что для их численной реализации требуется задание точки перехода от ламинарного режима к турбулентному, которую необходимо определять экспериментальным путем. Таким образом, все RANS-модели не в состоянии отображать зону перехода от ламинарного режима течения к турбулентному. Поэтому основной целью работы является проверка способности 2-жидкостной модели турбулентности описывать переходную зону. В известных публикациях показано, что 2-жидкостная модель имеет высокую точность, устойчивость, а также способна адекватно представлять анизотропную турбулентность. В данной работе в модель турбулентности вводится дополнительная термическая сила, которой во многих течениях с вынужденной конвекцией можно пренебречь. Однако в течениях с естественной конвекцией именно термическая сила способствует смене режима течения. Для валидации модели и верификации вычислительной процедуры результаты авторов сравниваются с результатами, полученными по известным RANS-моделям турбулентности: однопараметрической модели Спаларта-Аллмараса и модели переноса рейнольдсовых напряжений, а также с доступными экспериментальными данными. Показано, что 2-жидкостная модель адекватно воспроизводит зону перехода от ламинарного режима к турбулентному и полученные численные результаты хорошо совпадают с опытными данными.