Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект посвящен развитию вычислительных технологий управления струйными течениями и изучению механизмов формирования вихревой структуры, особенностей неустойчивости и турбулентности в свободных и импактных струях, с вводом искусственных возмущений, при числах Рейнольдса от 20 до 23 000 (для которых имеются данные экспериментов). Актуальность исследований обусловлена применением струй для вентиляции и охлаждения поверхностей в микроэлектронике, энергетике, для снижения шума, улучшения работы двигателей и актюаторов в транспортных устройствах, а также управления структурой течений и тепломассообменом во многих других практических приложениях. В отчетный период выбраны и уточнены оптимальные подходы исследований с учетом иерархии методов и моделей вычислительной аэрогидродинамики. В частности, для изучения деталей структуры течений при относительно небольших числах Рейнольдса Re в ходе численного решения уравнений Навье–Стокса и диффузии пассивного скаляра (температуры, концентрации) предлагается использовать метод прямого численного моделирования (DNS) и установить его точность и пределы применимости на имеющихся вычислительных ресурсах. Для описания турбулентных течений при достаточно больших Re предлагается применить стандартные и модифицированные модели осредненных по Рейнольдсу уравнений (RANS) и отфильтрованных уравнений в моделировании крупных вихрей (LES). В RANS-подходах привлекаются двухпараметрические k-ε и k-ω модели, а также усовершенствованные модели, полученные при помощи методов машинного обучения. Для моделирования используются развитые авторами алгоритмы DNS/LES и RANS, пакеты ANSYS Fluent и OpenFOAM. Развиты эффективные алгоритмы для изучения тонкой структуры струйных течений при различных условиях наложенных возмущений и получены предварительные результаты DNS-расчетов для струй, истекающих из отверстия диаметром D со среднерасходной скоростью U при Re = DU/ν < 1000. Реализованы следующие способы управления потоком и тепломассообменом в свободных и импактных струях: продольные, азимутальные и поперечные гармонические возмущения профиля скорости на входе, поперечные вибрации входного сечения, возмущения на боковой границе (аналог поперечного акустического поля), пассивные методы (введение решеток различной формы у входа). Для верификации алгоритмов в предварительных тестовых испытаниях проверена точность получаемых данных и влияние параметров численной реализации – шагов по координатам и времени, моментов начала и конца осреднения нестационарных полей скорости и скаляра, размеров области, граничных условий, численных схем. Этот «рутинный» этап представляется важным при отсутствии подробных количественных данных для микроструй при 10 < Re < 1000 в физических экспериментах, предоставляющих, в основном, качественные результаты визуализации. В дальнейшем также имеет смысл выполнить кросс-верификации двух-трех различных алгоритмов (Fluent, OpenFOAM, «домашние» коды) для подтверждения достоверности получаемых данных численного эксперимента по активным и пассивным методам управления течением в струе. В предварительных расчетах изучено влияние физических и геометрических параметров (число Рейнольдса Re, форма отверстия и профиля скорости на входе, частота f, амплитуда, тип и положение вводимых возмущений). Получены диапазоны «оптимальных» чисел Струхаля St = f D/U для различных типов активных способов воздействия на струю. Выбраны подходящие методы машинного обучения (ML) для оптимизации управляющих параметров воздействия на течение и для усовершенствования моделей турбулентности. Проведены начальные тесты по обучению ML-RANS-моделей в канонических течениях в каналах с выступами, для которых имеется большая база высокоточных данных DNS/LES при 5000 < Re < 21 000. Эти модели далее планируется проверить и улучшить при тестировании в неизотермических импактных струях при Re ≤ 23 000, для которых имеются данные лабораторных экспериментов. Предварительные исследования показали наибольшую эффективность вибрации входного сечения для интенсификации смешения и расщепления струи по сравнению с одномодовым «акустическим» возмущением на боковой границе и двухмодовым (продольно-поперечным, продольно-азимутальным) возмущением профиля скорости на входе. С учетом промежуточных результатов, уточнены планы следующего этапа работы. Помимо упомянутых в исходной заявке планов и кросс-верификации различных алгоритмов, предлагается проверить влияние двухмодовых продольно-поперечного и продольно-азимутального «акустических» возмущений при наличии от двух до пяти источников в различных положениях у входа, в сравнении с данными имеющихся измерений в подобной постановке. Также интерес представляет изучение влияния перепада плотности вещества (например, воздуха, пропана, водорода, углекислого газа и т.д.) вытекающего из отверстия и плотности окружающей среды (воздуха) на структуру струйных течений с наложенными возмущениями. Такие постановки задачи соответствуют как физическим экспериментам, так и реальным практическим ситуациям, однако слабо исследованы в вычислительных экспериментах. Таким образом, при выполнении первого этапа проекта уточнены объект, предмет, методы исследования, и сформулированы оптимальные способы управления струйными течениями, где ожидаются наиболее значимые результаты исследований.