Математическое моделирование взаимодействия свободно-конвективного течения и подвижного тела
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.1.7Ключевые слова:
численное моделирование, метод погруженных границ, естественная конвекция, подвижное телоАннотация
Представлена математическая модель, предназначенная для описания взаимодействия свободно-конвективного потока с подвижным телом. Модель реализована в рамках расчетного программного комплекса SigmaFlow, основанного на методах вычислительной гидродинамики. Свободно-конвективное течение описывается уравнениями Навье–Стокса в приближении Буссинеска, а модель подвижного тела реализована с помощью метода погруженных границ. В статье приведены результаты верификации предложенной математической модели на следующих тестовых задачах: нестационарное ламинарное обтекание цилиндра; естественная конвекция в канале между двумя цилиндрами; развитое конвективное течение в замкнутой прямоугольной области с неподвижной пластиной. Представлены результаты численного исследования движения пластины в свободно-конвективном потоке в замкнутом объеме (кювете) с горячей нижней и холодной верхней стенками. В результате расчетов обнаружено влияние подвижной пластины на динамику формирования крупномасштабных ячеек, на локальное распределение плотности теплового потока на нижней стенке и интегральный тепловой поток. В частности, выявлено локальное уменьшение теплового потока под пластиной, увеличение числа крупных вихрей в кювете и разрушение горизонтального градиента температуры, который наблюдается в случае закрепленной пластины. Кроме этого, для закрепленной пластины величина теплового потока под ней зависит от ее положения, а в случае подвижной пластины – от положения и направления ее движения. Качественное сравнение расчетов для двух разных чисел Релея c экспериментальными данными, полученными в Институте механики сплошных сред УрО РАН, показало, что поведение пластины имеет схожие закономерности.
Скачивания
Библиографические ссылки
Карасев Т.О., Теймуразов А.С., Перминов А.В. Численное исследование теплоотдачи стенки титанового реактора при воздушном охлаждении // Вычисл. мех. сплош. сред. 2020. Т. 13, № 4. С. 424-436. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.4.33
Litvintsev K.Yu., Finnikov K.A. Development of a specialized mathematical model of heat transfer in a vacuum electric furnace // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 1128. 012088. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1128/1/012088
Zhang J., Libchaber A. Periodic boundary motion in thermal turbulence // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84. P. 4361-4364. https://doi.org/10.1103/physrevlett.84.4361
Попова Е.Н., Фрик П.Г. Крупномасштабные течения в турбулентном конвективном слое с погруженным в него подвижным теплоизолятором // Изв. РАН. МЖГ. 2003. № 6. С. 41-47. (English version https://doi.org/10.1023/B:FLUI.0000015226.47864.b8)
Scheel J.D., Emran M.S., Schumacher J. Resolving the fine-scale structure in turbulent Rayleigh–Bénard convection // New J. Phys. 2013. Vol. 15. 113063. https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/11/113063
Shishkina O. Rayleigh-Bénard convection: The container shape matters // Phys. Rev. Fluids. 2021. Vol. 6. 090502. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevFluids.6.090502
Васильев А.Ю., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Влияние горизонтальных теплоизолирующих пластин на структуру конвективных течений и теплоперенос в замкнутой полости // Вычисл. мех. сплош. сред. Т. 15, № 1. С. 83-97. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.1.7
Peskin C.S. Flow patterns around heart valves: A numerical method // J. Comput. Phys. 1972. Vol. 10. P. 252-271. https://doi.org/10.1016/0021-9991(72)90065-4
Saiki E.M., Biringen S. Numerical simulation of a cylinder in uniform flow: Application of a virtual boundary method // J. Comput. Phys. 1996. Vol. 123. P. 450-465. https://doi.org/10.1006/jcph.1996.0036
Lai M.-C., Peskin C.S. An immersed boundary method with formal second-order accuracy and reduced numerical viscosity // J. Comput. Phys. 2000. Vol. 160. P. 705-719. https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6483
Mohd-Yosuf J. Combined immersed-boundary/B-spline methods for simulations of flow in complex geometries // Cent. Turbul. Res. Annu. Res. Briefs. 1997. P. 317-328. https://web.stanford.edu/group/ctr/ResBriefs97/myusof.pdf
Tseng Y.-H., Ferziger J.H. A ghost-cell immersed boundary method for flow in complex geometry // J. Comput. Phys. 2003. Vol. 192. P. 593-623. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2003.07.024
Balaras E. Modeling complex boundaries using an external force field on fixed Cartesian grids in large-eddy simulations // Comput. Fluids. 2004. Vol. 33. P. 375-404. https://doi.org/10.1016/S0045-7930(03)00058-6
Mittal R., Iaccarino G. Immersed boundary methods // Annu. Rev. Fluid Mech. 2005. Vol. 37. P. 239-261. https://doi.org/10.1146/ANNUREV.FLUID.37.061903.175743
Udaykumar H.S., Kan H.-C., Shyy W., Tran-Son-Tay R. Multiphase dynamics in arbitrary geometries on fixed Cartesian grids // J. Comput. Phys. 1997. Vol. 137. P. 366-405. https://doi.org/10.1006/jcph.1997.5805
Udaykumar H.S., Mittal R., Shyy W. Computation of solid–liquid phase fronts in the sharp interface limit on fixed grids // J. Comput. Phys. 1999. Vol. 153. P. 535-574. https://doi.org/10.1006/jcph.1999.6294
Roman F., Armenio V., Fröhlich J. A simple wall-layer model for large eddy simulation with immersed boundary method // Phys. Fluids. 2009. Vol. 21. 101701. https://doi.org/10.1063/1.3245294
Capizzano F. Turbulent wall model for immersed boundary methods // AIAA J. 2011. Vol. 49. P. 2367-2381. https://doi.org/10.2514/1.J050466
Wang W.-Q., Yan Y., Tian F.-B. A simple and efficient implicit direct forcing immersed boundary model for simulations of complex flow // Appl. Math. Model. 2017. Vol. 43. P. 287-305. https://doi.org/10.1016/j.apm.2016.10.057
Narváez G.F., Lamballais E., Schettini E.B. Simulation of turbulent flow subjected to conjugate heat transfer via a dual immersed boundary method // Comput. Fluids. 2021. Vol. 229. 105101. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2021.105101
Lee S., Hwang W. Development of an efficient immersed-boundary method with subgrid-scale models for conjugate heat transfer analysis using large eddy simulation // Int. J. Heat Mass Tran. 2019. Vol. 134. P. 198-208. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.01.019
Xia J., Luo K., Fan J. A ghost-cell based high-order immersed boundary method for inter-phase heat transfer simulation // Int. J. Heat Mass Tran. 2014. Vol. 75. P. 302-312. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.048
Lo D.C., Lee C.-P., Lin I.-F. An efficient immersed boundary method for fluid flow simulations with moving boundaries // Appl. Math. Comput. 2018. Vol. 328. P. 312-337. https://doi.org/10.1016/j.amc.2018.01.022
Дектерев А.А., Гаврилов А.А., Минаков А.В. Современные возможности СFD кода SigmaFlow для решения теплофизических задач // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2010. № 2(4). C. 117-122.
Meshkova V.D., Dekterev A.A., Gavrilov A.A., Litvintsev K.Yu. SigmaFlow CFD code as a tool for predicting the wind environment around a group of buildings // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. Vol. 1675. 012119. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/1675/1/012119
Zdravkovich M.M. Flow around circular cylinders. Vol. 1. Fundamentals. Oxford University Press, 2002. P. 566-571.
Shoeybi M., Svärd M., Ham F.E., Moin P. An adaptive implicit–explicit scheme for the DNS and LES of compressible flows on unstructured grids // J. Comput. Phys. 2010. Vol. 229. P. 5944-5965. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2010.04.027
Kuehn T.H., Goldstein R.J. An experimental and theoretical study of natural convection in the annulus between horizontal concentric cylinders // J. Fluid Mech. 1976. Vol. 74. P. 695-719. https://doi.org/10.1017/S0022112076002012
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
