Метод крупных вихрей с моделированием пристенных процессов для детального описания отрыва турбулентного пограничного слоя

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-71-10105

НазваниеМетод крупных вихрей с моделированием пристенных процессов для детального описания отрыва турбулентного пограничного слоя

Руководитель Трошин Алексей Игоревич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" , Московская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-309 - Турбулентность и гидродинамическая устойчивость

Ключевые слова Транспортные системы, Дифференциальная модель для напряжений Рейнольдса, метод крупных вихрей, турбулентный пограничный слой, неблагоприятный градиент давления, отрыв, нестационарное течение, оптимизация

Код ГРНТИ30.17.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель Проекта — создать теоретически обоснованный метод крупных вихрей с моделированием пристенных процессов (состоящий из WMLES-модели, численного метода и граничных условий) на базе дифференциальной модели для напряжений Рейнольдса (DRSM-модели) для высокоточного расчета турбулентных пограничных слоев под действием градиентов давления и их отрывов. Модель должна корректно воспроизводить глобальные нестационарные процессы и характеристики турбулентности на уровне вторых моментов и одноточечных распределений вероятности скорости, а также давать корректное среднее поле течения при осреднении решения по времени. Модель будет ориентирована на дозвуковые и умеренно сверхзвуковые течения газа. Актуальность данной работы связана с тем, что несмотря на широкий фронт работ — как экспериментальных, так и расчетных — которые ведутся в области изучения отрывных течений, в этой сфере имеется еще много недостаточно изученных вопросов. Одной из до сих пор нерешенных задач является надежное предсказание характеристик глобальных нестационарных процессов, сопровождающих отрыв. В авиации эти процессы приводят к таким нежелательным, а порой и опасным, явлениям, как вибрации корпуса летательного аппарата, снижение управляемости, износ элементов конструкции и их деформация, неустойчивая работа двигателя и его помпаж. Актуально создание моделей отрыва, способных надежно воспроизводить не только осредненную картину течения, но и предсказывать его нестационарные характеристики, в первую очередь, амплитуду и частотный состав глобальных колебаний. В литературе широко представлены результаты, говорящие о невозможности получения этих данных в рамках осреднения по Рейнольдсу: модели турбулентности различных классов дают стационарные решения, причем, как правило, с заниженным уровнем кинетической энергии турбулентности в отрывной зоне. Поэтому неизбежен переход к вихреразрешающим методам. Метод крупных вихрей основывается на предположении о существовании в развитом турбулентном течении (т.е., при достаточно больших числах Рейнольдса) инерционного интервала масштабов, в котором средний поток энергии не зависит от масштаба вихрей. Это предположение справедливо для внешней части пограничного слоя, которая развивается по законам турбулентного следа. При приближении к стенке турбулентность вырождается, и ее описание с разрешением вихревых структур требует измельчения сетки почти до предела DNS (Direct Numerical Simulation — прямое численное моделирование). Такой подход называется WRLES (Wall Resolved LES — метод крупных вихрей с разрешением пристенных процессов). Моделирование течений с помощью WRLES — крайне ресурсоемкая задача, требующая и детального сеточного разрешения вплоть до самой стенки, и настолько малых шагов по времени, чтобы описать пульсационные движения в буферной области и вязком подслое турбулентного пограничного слоя. Сегодня этот подход может быть пригоден лишь для единичных расчетов задач, представляющих фундаментальный научный интерес. Решение практических задач неизбежно требует статистического описания течения в пристенной части пограничного слоя. Подход LES, при котором пристенная часть течения моделируется осредненным образом, называется WMLES (Wall Modeled LES — метод крупных вихрей с моделированием пристенных процессов). Он позволяет на порядки сократить ресурсоемкость расчетов по сравнению с WRLES, но требует переключения на низкорейнольдсову модель турбулентности в пристенной части пограничного слоя. Несмотря на очень малую толщину этой области, она играет ключевую роль в формировании трения, теплового потока и профилей параметров в пограничном слое. Модель в этой области должна быть способна описывать среднее течение в широком диапазоне внешних условий, в частности, корректно воспроизводить отклик течения на внешние градиенты давления. Вблизи стенки турбулентность вырождается, приближаясь к двухкомпонентному пределу (состоянию, в котором пульсации по нормали к поверхности становятся намного слабее пульсаций, параллельных ей). Строго говоря, гипотеза Буссинеска в этих условиях не работает, поэтому исследование должно базироваться на небуссинесковых моделях. Наиболее общими моделями такого класса, хорошо изученными в литературе, являются дифференциальные модели для напряжений Рейнольдса (DRSM). В литературе первого десятилетия XXI века можно найти DRSM-модели, откалиброванные по данным DNS о течении в канале и другим относительно простым типам течений. В отсутствие сильных градиентов давления, эти модели позволяют достаточно точно воспроизвести баланс членов в уравнении для тензора напряжений. Настоящий Проект нацелен на использование моделей такого типа. Поскольку следует ожидать, что в предотрывных и отрывных пограничных слоях опубликованные модели требуют уточнения, эта работа будет проделана в настоящем Проекте с использованием методов оптимизации. Во внешней части пограничного слоя (в LES-области) Проект ставит задачу сократить уровень эмпиризма, вкладываемый в модель подсеточных напряжений. Для этого вместо традиционных алгебраических, одно- и двухпараметрических дифференциальных моделей будет разработана «небуссинескова» модель с дифференциальными уравнениями для каждой компоненты тензора подсеточных напряжений. Модель будет сопряжена с одним из современных низкодиссипативных конечно-объемных методов, выбранным на основе аналитического и численного сравнения опубликованных за последние 5 лет вариантов, и откалибрована по задачам с развитой турбулентностью. Цель калибровки — получение корректных характеристик турбулентности на более детальном, чем обычно рассматривается в литературе, уровне. Будет требоваться корректное воспроизведение одно- и двухточечных моментов и одноточечных распределений вероятности поля скорости. Эти требования представляются необходимым условием для получения в итоге правильной расчетной картины глобальных нестационарных процессов. Калибровка подесточной модели будет проводиться с помощью методов оптимизации, развитых коллективом Проекта. Также Проект будет использовать и развивать другие элементы технологии WMLES: переходную функцию между URANS- и LES-подобластями течения и граничное условие, формирующее на входе пограничный слой с заданными параметрами и заселенный нестационарной синтетической турбулентностью. Разработанная WMLES-модель будет валидирована на ряде задач, представляющих как академический, так и практический интерес: отрыве дозвукового пограничного слоя с гладкой поверхности; отрывах сверхзвукового пограничного слоя из-под скачка уплотнения и в клине сжатия; отрыве пограничных слоев со стенок сопла при перерасширенном режиме истечения; отрыве в псевдоскачке. В каждой задаче будут детально изучены глобальные нестационарные характеристики течения. Научная новизна работы состоит в том, что впервые будет разработана и валидирована WMLES-модель, позволяющая корректно воспроизводить нестационарные параметры отрывов турбулентного пограничного слоя в различных условиях течения и характеристики турбулентности во внешней части пограничного слоя на уровне вторых моментов и распределений вероятности поля скорости.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бахнэ С., Сабельников В.А. A Method for Choosing the Spatial and Temporal Approximations for the LES Approach Fluids, Vol. 7, issue 12, 376 (16 p.) (год публикации - 2022)
10.3390/fluids7120376

2. Балабанов Р.А., Усов Л.А., Трошин А.И., Власенко В.В., Сабельников В.А. A Differential Subgrid Stress Model and Its Assessment in Large Eddy Simulations of Non-Premixed Turbulent Combustion Applied Sciences, Vol. 12, issue 17, 8491 (21 p.) (год публикации - 2022)
10.3390/app12178491

3. Трошин А.И., Усов Л.А., Курсаков И.А., Анисимов К.С. Development of an improved differential Reynolds stress model for the near-wall part of non-equilibrium boundary layers ХХI International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2022) Abstracts. Novosibirsk, 2022. Издательство: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Сибирское отделение Российской академии наук», Part 1. Pp. 197-198 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788967_197

4. Бахнэ С., Трошин А.И. Influence of WENO class numerical schemes on large eddy simulations of basic turbulent flows ХХI International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2022) Abstracts. Novosibirsk, 2022. Издательство: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Сибирское отделение Российской академии наук», Part 1. Pp. 15-16 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788967_15

5. Балабанов Р.А., Трошин А.И. Calibration of differential subgrid stress model based on the results of direct numerical simulation ХХI International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2022) Abstracts. Novosibirsk, 2022. Издательство: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Сибирское отделение Российской академии наук», Part 1. Pp. 17-18 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788967_17

6. Бахнэ С., Трошин А.И. Сравнение противопоточных и симметричных WENO-схем при моделировании базовых турбулентных течений методом крупных вихрей Вычислительный эксперимент в аэроакустике и аэродинамике: Сборник тезисов девятой российской конференции, Светлогорск. Москва: Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2022., С. 77-80 (год публикации - 2022)

7. Балабанов Р.А., Усов Л.А., Ноздрачев А.Ю., Трошин А.И., Власенко В.В., Сабельников В.А. Assessment of a Differential Subgrid Stress Model for Large-Eddy Simulations of Turbulent Unconfined Swirling Flames Fire, Vol. 6, issue 3, 94 (23 p.) (год публикации - 2023)
10.3390/fire6030094

8. Бахнэ С., Трошин А.И. Сравнение противопоточных и симметричных WENO-схем при моделировании базовых турбулентных течений методом крупных вихрей Журнал вычислительной математики и математической физики, Т. 63, № 6, с. 144-159 (год публикации - 2023)
10.31857/S0044466923060030

9. Трошин А.И., Молев С.С., Власенко В.В., Михайлов С.В., Бахнэ С., Матяш С.В. Программа zFlare для моделирования турбулентности и горения в задачах аэродинамики: I. Моделирование турбулентности Вычислительная механика сплошных сред, Т. 16, № 2, с. 203-218 (год публикации - 2023)
10.7242/1999-6691/2023.16.2.18

10. Будникова А.О. Подход к учету взаимодействия RANS- и LES-областей пограничного слоя в расчетах методом SST-IDDES Труды МФТИ, т. 14, № 4, с. 11-29 (год публикации - 2022)

11. Усов Л.А. Пристенная модель переноса напряжений Рейнольдса на основе данных прямого численного моделирования Труды МФТИ, т. 14, № 4, с. 108-125 (год публикации - 2022)

12. Балабанов Р.А., Усов Л.А., Трошин А.И., Власенко В.В., Сабельников В.А. Дифференциальная модель подсеточных напряжений и расчет изотермического горения предварительно не перемешанной смеси методом LES с ее использованием Материалы XXXIII научно-технической конференции по аэродинамике, Материалы XXXIII научно-технической конференции по аэродинамике (год публикации - 2022)

13. Будникова А.О. Модель взаимодействия RANS- и LES-областей для расчета пристенных течений методами отсоединенных вихрей Материалы XXXIII научно-технической конференции по аэродинамике, Материалы XXXIII научно-технической конференции по аэродинамике (год публикации - 2022)

14. Будникова А.О. Исследование метода внесения искусственных пульсаций скорости для уточнения описания пристенных течений при расчетах методом IDDES Материалы 65-ой Всероссийской научной конференции МФТИ, Материалы 65-ой Всероссийской научной конференции МФТИ (год публикации - 2023)

15. Будникова А.О. Способ внесения искусственных пульсаций скорости для уточнения описания пристенных течений методом SST-IDDES Труды XLIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Труды XLIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (год публикации - 2023)

16. Будникова А.О., Трошин А.И., Сабельников В.А. A Review of the Computational Studies on the Separated Subsonic Flow in Asymmetric Diffusers Focused on Turbulence Modeling Assessment Energies, Vol. 16, 5025 (25 p.) (год публикации - 2023)
10.3390/en16135025

17. Усов Л.А., Трошин А.И., Анисимов К.С., Сабельников В.А. Calibration of a Near-Wall Differential Reynolds Stress Model Using the Updated Direct Numerical Simulation Data and Its Assessment Energies, Vol. 16, issue 19, 6826 (25 p.) (год публикации - 2023)
10.3390/en16196826

18. Трошин А.И., Бахнэ С. Применение гибридных RANS/LES-методов для расчета отрыва турбулентного пограничного слоя из-под скачка уплотнения Математическое моделирование, Т. 35, № 10, с. 36-52 (год публикации - 2023)
10.20948/mm-2023-10-03

19. Трошин А.И., Власенко В.В. Целесообразен ли отказ от гипотезы Буссинеска в гибридных RANS/LES-расчетах отрывных течений? XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. – 1348 с., XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. С. 694-695. (год публикации - 2023)

20. Балабанов Р.А., Трошин А.И. Анализ работы дифференциальной модели подсеточных напряжений в задаче о статистически стационарной изотропной турбулентности XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. – 1348 с., XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. С. 294-295. (год публикации - 2023)

21. Будникова А.О. О проблеме взаимодействия RANS- и LES-областей в расчетах пристеночных течений гибридными методами XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. – 1348 с., XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. С. 513-515. (год публикации - 2023)

22. Трошин А.И., Усов Л.А. Усовершенствование дифференциальной модели для напряжений Рейнольдса JH-ωh с использованием современных данных прямого численного моделирования XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. – 1348 с., XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. С. 691-693. (год публикации - 2023)

23. Усов Л.А., Трошин А.И. Калибровка и тестирование дифференциальной модели для напряжений Рейнольдса, ориентированной на описание RANS-подслоя в составе гибридного RANS/LES-метода Материалы XXXIV научно-технической конференции по аэродинамике, Материалы XXXIV научно-технической конференции по аэродинамике, с. 89-90 (год публикации - 2024)

24. Будникова А.О. Применение гибридных RANS/LES-методов в вихреразрешающих расчетах дозвукового отрывного течения в асимметричном диффузоре Материалы XXXIV научно-технической конференции по аэродинамике, Материалы XXXIV научно-технической конференции по аэродинамике, с. 25-26 (год публикации - 2024)

25. Усов Л.А., Трошин А.И. Калибровка дифференциальной модели для напряжений Рейнольдса на основе современных данных прямого численного моделирования турбулентного течения в канале и ее тестирование Материалы XXV Международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность» 18 – 24 февраля 2024, г. Звенигород. – Москва: Издательство Московского Университета, 2024., Материалы XXV Международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность» 18 – 24 февраля 2024, г. Звенигород. – Москва: Издательство Московского Университета, 2024. (год публикации - 2024)

26. Будникова А.О. Вихреразрешающие расчеты дозвукового отрывного течения в асимметричном диффузоре с помощью гибридных RANS/LES-методов Материалы 66-ой Всероссийской научной конференции МФТИ, Материалы 66-ой Всероссийской научной конференции МФТИ (год публикации - 2024)

27. Усов Л.А., Трошин А.И. О проблемах использования DRSM-модели в составе гибридного RANS/LES-метода Материалы 66-ой Всероссийской научной конференции МФТИ, Материалы 66-ой Всероссийской научной конференции МФТИ (год публикации - 2024)

Публикации