XVI Международная школа-семинар по численным методам механики вязкой жидкости

Метод расчета пространственных течений несжимаемой

жидкости в различных приближениях*

Черный С.Г., Шаров С.В., Шашкин П.А.

Институт Вычислительных Технологий, Новосибирск, Россия

*Данная работа финансировалась РФФИ (N 98-01-00742) и РФФИ-ИНТАС (N95-1149)

В работах [1, 2] предложен эффективный численный алгоритм решения пространственных стационарных задач несжимаемой жидкости в рамках полных уравнений Эйлера и Навье-Стокса. Основу метода составляют концепция искусственной сжимаемости, позволившая использовать высокоточный аппарат численного интегрирования уравнений сжимаемой жидкости, базирующийся на TVD схемах, а также оригинальный вариант попеременно треугольного метода.

В настоящей работе рассматривается дальнейшее развитие этого метода посредством распространения его на нестационарные задачи и турбулентные течения. В первом случае в исходные уравнения несжимаемой жидкости вводятся производные от соответствующих гидродинамических функций по псевдовремени [3]. В уравнение неразрывности при этом добавляется такая же производная от давления. Далее, как и в [1, 2], проводится неявная аппроксимация уравнений и по псевдовремени организуется итерационный процесс на каждом временном слое. Производные по физическому времени аппроксимируются на трехслойном шаблоне со вторым порядком. Приводятся результаты расчета обтекания кругового цилиндра при Re=100 (рис. 1).

Численный алгоритм расчета турбулентных течений основывается на уравнениях Рейнольдса, решаемых с помощью алгоритма [1, 2]. Для их замыкания рассмотрены различные варианты k-e модели турбулентности, в частности, - предложенная в [4] RNG k-e модель. Используемые модели турбулентности справедливы для полностью развитых турбулентных течений. Поэтому они дополняются эмпирическим законом о поведении потока вблизи твердых границ (метод пристеночных функций). Апробация метода была проведена на ряде тестовых расчетов.

Так же в работе рассматриваются примеры приложения метода к новым задачам о течениях в проточных частях гидротурбин. Расчет в ее элементах осуществляется поблочно, с передачей данных из одного блока в другой и обратно. На рис. 2 приведены результаты расчета турбулентного течения в первом из элементов проточной части гидротурбины - спиральной камере.

.

.

.

.

.

.

.

Рис.1. Поле давления и траектории при обтекании цилиндра Re=100.

Рис. 2. Расчетная область и картина течения в спиральной камере гидротурбины.

  1. Грязин Ю.А., Черный С.Г., Шаров С.В., Шашкин П.А. Эффективный численный алгоритм решения пространственных задач несжимаемой жидкости // Тезисы международной конференции "Математические модели и численные методы механики сплошной среды", 27.5.96 - 2.6.96, Новосибирск, с.231-232.
  2. Грязин Ю.А., Черный С.Г., Шаров С.В. Шашкин П.А. Об одном методе численного решения трехмерных задач динамики несжимаемой жидкости // Доклады Академии Наук России, 1997, т.353, N4, с.478-483.
  3. Brewer M., Hanel D. A dual time-stepping metod for 3-D viscous, incompressible vortex flow // Comp. and Fluids, 1993, v.22, N4/5, p. 467-484.
  4. Yakhot V., Orzag S.A., Thangam S., Gatski T.B., Speziale C.G. Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique // Phys. Fluids, 1992, A 7, 1510.