Аэродинамика. Аэроакустика. Часть 3

Сегодня мы рассмотрим некоторые рекомендации по расчету нестационарных задач в ANSYS Fluent, которые могут быть полезны с некоторыми поправками и пользователям других программных продуктов для решения задач вычислительной гидрогазодинамики.

Нестационарные явления и процессы мы встречаем повсеместно.  Сама нестационарность может быть как естественной, так и искусственной (вынужденной). Естественная нестационарность связана с развитием неустойчивости в потоке (в потоке всегда присутствуют возмущения, которые в зависимости от условий могут затухать или сохраняться) или с начальным неустойчивым состоянием потока. Например, естественная конвекция (конвективная неустойчивость), турбулентные вихри всех масштабов, волновые процессы — все это примеры естественной природы нестационарного явления.

Иногда на небе мы можем наблюдать облака странной и оригинальной формы — это т. н. волны Кельвина-Гельмгольца. Это классический пример сдвиговой неустойчивости (неустойчивость тангенциальных разрывов скорости), которая реализуется, когда один слой жидкости «скользит» по другому. Подобная ситуация свойственна многим реальным природным течениям. Неустойчивости в данном случае подвержено положение границы между слоями жидкости, которые движутся с различными скоростями.

kelvin

Вынужденная нестационарность связана с граничными условиями или источниковыми членами, которые зависят от времени и вызывают нестационарность. Примерами вынужденной нестационарности служат взаимодействие ротора со статором в турбинах, пульсации потока в соплах реактивных двигателей и  т. п.

Если говорить о постановка нестационарной задачи, то она имеет много общего с постановкой стационарной задачи. К отличиям можно отнести большой объем расчетных данных, специальные методы для обработки этих данных и специфические настройки CFD-решателя.

Какие вопросы мы должны решить при постановке нестационарной задачи в Fluent?

  1. Как поставить и запустить на расчет нестационарную задачу.
  2. Как выбрать правильный шаг по времени для нестационарной задачи.
  3. Как правильно обработать результаты расчета нестационарной задачи.

tsНачнем с шага по времени. Основное требование — величина шага по времени должна коррелировать с характерным временем моделируемого процесса/явления.

Для стандартной задачи шаг по времени можно оценить из следующего соотношения: delta_t = L/3*V, здесь L — характерная длина, V — характерная скорость.

Для лопаточной машины:  delta_t = N/10*omega, где N — количество лопаток (лопастей), omega — скорость вращения.

Для задачи естественной конвекции: delta_t = L/(g*beta*delta_T*L)^1/2. Здесь g — ускорение свободного падения; beta -температурный коэффициент объемного расширения; delta_T -разница температур (стенка-жидкость).

Наконец, для задачи теплопроводности: delta_t = L^2/(lambda/(rho*Cp)), где lambda и Cp — теплопроводность и теплоемкость среды, соответственно.

Продолжение следует…

Удачного Вам моделирования!

Денис Хитрых, директор R&D Центра SimuLabs4D.