Технические науки 4
Король Ю.М. ,Рудько О.Н.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ГИДРОДИНАМИКИ В
ЗАДАЧАХ ОБТЕКАНИЯ
ПЛОСКИХ КОНТУРОВ
Постановка проблемы. На сегодняшний
день в мире существует достаточно много CFD-пакетов программ, реализующих методы вычислительной
гидродинамики. Эти программные комплексы предназначены для решения краевых
задач гидродинамики, газовой динамики, термодинамики, электродинамики, горения. Наиболее
известными являются STAR-CD, ANSYS CFX, COSMOS FLOWORKS, FLUENT, FLOW 3D, FAST FLOW, FLOW
VISION.
Большинство этих программ основано на использовании метода конечных элементов, требующего для своей эффективной реализации многопроцессорных систем, что наряду с высокой стоимостью самих программ увеличивает стоимость получаемых результатов. Положенный в основу программного комплекса FLOW VISION метод конечных объемов менее требователен к ресурсам компьютерной техники, отличается существенно меньшей стоимостью и в связи с этим более эффективен.
В задачах гидродинамики судна широко применяется метод плоских сечений. Метод не имеет математического обоснования, но при его использовании результаты расчётов для удлинённых тел хорошо согласуются с результатами эксперимента. Существующие CFD-пакеты программ позволяют решать как пространственные, так и плоские задачи. Очевидно, что при решении плоских задач гидродинамики требования к ресурсам вычислительной техники существенно снижаются. Для решения таких задач часто вполне достаточно даже демонстрационных версий программ.
Целью данной работы является, с одной стороны – тестирование CFD-пакета FLOW VISION путем
решения задачи обтекания бесконечного кругового цилиндра (плоский аналог –
обтекание кругового контура), а с другой стороны – решение задачи обтекания
произвольного контура (на примере обтекания бесконечного эллиптического цилиндра,
плоский аналог – обтекание эллиптического контура).
Решение плоской задачи обтекания кругового и эллиптического контуров потоком вязкой жидкости проводилось в среде университетской версии программного комплекса FLOW VISION 2.3.3, разработанного московской инжиниринговой компанией Тесис (www.tesis.com.ru).
Процесс численного моделирования течения жидкости в этой программе состоит [2] из следующих этапов.
1. Создание области расчёта. Трёхмерная модель области расчета создаётся в одной из САD систем (Unigraphics, Pro/Engineer, Solid Works, CATIA и др.), затем полученная геометрия с замкнутыми подобластями импортируется в CFD-пакет и используется для построения объёмной расчётной сетки. В данной работе для создания области расчета использовалась программа Solid Works.
2. Задание математической модели.
В зависимости от исследуемого типа течения и ожидаемых результатов задаётся
математическая модель (Несжимаемая жидкость, Ламинарная жидкость) и отмечаются типы
уравнений, которые необходимо решить (уравнения Навье-Стокса, неразрывности и 
модели турбулентности,
если эта модель используется в расчетах).
3. Задание граничных условий. Граничные условия задаются для каждой замкнутой подобласти. Для задачи обтекания кругового и произвольного контура задаются четыре граничных условия: Вход, Свободный выход, Стенка, Симметрия. Эти граничные условия назначаются шести подобластям. На входе – граничное условие Вход, на выходе и на сечениях, перпендикулярных основной плоскости – граничное условие Свободный выход, сверху и снизу – граничное условие Симметрия, подобласть цилиндра – граничное условие Стенка.
4. Задание параметров методов расчета и физических параметров. Параметры методов расчета определяют скорость сходимости вычислительного алгоритма и порядок аппроксимации исходных уравнений (для решаемых задач приняты равными значениям по умолчанию). Физические параметры – параметры жидкости, которые будут использованы для расчета (задавались: начальная скорость, плотность и динамический коэффициент вязкости жидкости).
5. Задание начальной расчётной сетки и критериев её адаптации. Начальная расчётная сетка генерируется пользователем в соответствующем окне свойств сетки с указанием необходимого шага сетки (в области цилиндра шаг сетки был задан более мелким). Затем расчётная сетка уточняется измельчением расчётных ячеек в той области, где сетка кажется грубой, путём задания уровня адаптации в диалоговом окне, относящемся к необходимому граничному условию. Ячейки, не прилегающие к поверхностям, а расположенные внутри расчётной области, измельчаются путём создания объекта адаптации командой Создать всплывающего меню опции Адаптация.
6. Создание слоёв визуализации. Этот этап связан с работой в дереве Постпроцессора. Данное дерево оперирует объектами – слоями визуализации, в основе которых лежат геометрические объекты. В качестве геометрического объекта для решения плоской задачи обтекания контуров была выбрана плоскость и созданы слои визуализации – Характеристика давления и Векторы скоростей. Слои визуализации изменяются во время расчёта в реальном времени в зависимости от получаемых результатов. Значения сил, моментов, давлений и скоростей записываются одновременно и в файл, который всегда можно просмотреть после окончания расчёта. Визуализация векторного поля скоростей при обтекании кругового контура бесконечного цилиндра и эллиптического контура бесконечного цилиндра с углом атаки 45 градусов представлена ниже на рисунке 1.
7. Запуск варианта на проведение
расчёта. Во время расчёта на экране появляется окно состояния расчёта, в
котором указываются текущая итерация, текущее расчётное время. Приостановленный
расчёт всегда можно продолжить полностью или частично заново, изменив свойства
в Общих параметрах. Время расчёта определяется пользователем.
; б - обтекание кругового контура при 
)
вычислялись по формуле:
,
– проекция силы на ось 0х,
обусловленная давлением и вязким трением;
0,1500
– динамическое давление при соответствующем угле атаки, Па.
рассчитывались по формуле (1).
