Анализ энергетических характеристик приповерхностных течений на основе сравнения численных и экспериментальных результатов

Исследование приповерхностных течений жидкости и газа с энергообменом играет важную роль как в понимании многих природных явлений, так и при конструировании аэродинамических и технических систем. Течения, представляющие практический интерес, являются, как правило, нестационарными и существенно трехмерными. Современный уровень развития методов вычислительной гидродинамики (CFD) и постоянное совершенствование высокопроизводительной компьютерной техники позволяет моделировать различные режимы течений жидкости и газа, в том числе и высокоскоростных, в условиях энергоподвода. Вместе с этим, возрастает и сложность процедур проверки численных результатов, особенно в случае нестационарных течений со сложной пространственной геометрией. Работы по верификации и тестированию численных решений проводятся с момента начала применения методов компьютерного моделирования к решению задач гидродинамики, однако до настоящего времени они велись, в основном, путем сравнения с известными точными решениями, либо экспериментальными данными, измеренными в определенной точке течения. В то же время, большинство приповерхностных течений жидкости и газа, важных для инженерных приложений, нестационарны и трехмерны, а их аналитическое исследование крайне затруднено и трудоемко. В этом случае для проверки численных расчетов необходимо иметь информацию о поле течения в целом, полученную методом, не вносящим возмущения в само течение. Проект предполагает проведение работ по развитию и тестированию программ численного моделирования нестационарных неизотермических течений жидкости и газа на основе сравнения с экспериментальными данными по визуализации полей течений на основе современных методик. Используются методы качественной и количественной диагностики, не вносящие возмущения в само течение: для нестационарных газовых течений - метод PIV, оптические теневые методы, высокоскоростная съемка; течений жидкости - метод ТВПЖ (термография высокоскоростных потоков жидкости). Помимо всего прочего, хорошее согласие численных и экспериментальных результатов необходимо для подтверждения и интерпретации наблюдаемых в экспериментах физических явлений, особенно в случае визуализации сложных пространственных течений. При успешном сравнении численных и экспериментальных полей приповерхностных течений появляется возможность решения обратных задач для количественного определения физических параметров и энергетических характеристик как внешнего воздействия на течения, так и воздействия самих течений на поверхность.Проект предполагает совместное проведение экспериментальных исследований и численного моделирования, а также численный анализ экспериментальных данных, ранее полученных на физическом факультете МГУ. Численные исследования:1. Для большинства численных расчетов планируется использовать оригинальный программный код, основанный на решении системы двумерных и трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу/Фавру, с соответствующими граничными условиями и замыкающими соотношениями. Для численного решения данной системы разрабатывается высокоточная численная схема, представляющая собой вариант метода С.К. Годунова высокого порядка точности. Использование метода С.К. Годунова, и особенно его обобщений повышенного порядка, позволяет существенно повысить надежность и точность расчета газодинамических течений, в первую очередь транс- и сверхзвуковых. В основе методов Годунова повышенного порядка лежит консервативная дискретизация уравнений переноса, использование информации о распространении возмущений, получаемой из точного или приближенного решения задачи Римана (методом Roe, HLLC, HLLE и др.), и нелинейные процедуры восстановления. В многомерных алгоритмах предполагается использовать как локально одномерные методы решения задачи о распаде разрыва (Римана), так и подходы, в которых решаются многомерные задачи Римана. В случае трехмерных расчетов используется метод декомпозиции (разбиения) расчетной области для проведения параллельных вычислений с применением технологии MPI (Message Passing Interface). 2. Проект также предполагает использование коммерческих (ANSYS CFX) и открытых (OpenFoam) программных комплексов, хорошо зарекомендовавших себя в области механики сплошных сред. Экспериментальные исследования.1. Планируется проведение количественного анализа, а также численное моделирование экспериментальных данных по визуализации приповерхностных течений с энергоподводом (в частности, от газового разряда) в ударной трубе. Для исследования таких течений использованы оптические методы регистрации потоков: а) лазерный теневой метод, который позволяет получать отчетливые изображения разрывов и неоднородностей в высокоскоростных потоках; б) система диагностики потоков на основе цифровой трассерной визуализации (PIV), которая позволяет измерять мгновенные векторные поля скорости потоков с помощью анализа изображения частиц, засеянных в поток жидкости или газа; в) цифровая высокоскоростная регистрация (до 1000000 кадров/с, камера Photron FASTCAM SA5), на основе которой в научной группе получены последние данные по динамике разрывов, инициированных импульсными разрядами. Цель анализа экспериментальных данных – исследование перераспределения энергии поверхностных импульсных разрядов в высокоскоростных потоках газа. 2. В случае приповерхностных течений, для которых оптические методы регистрации неприменимы, планируется проведение автором проекта навых экспериментов с использованием метода ТВПЖ (термография высокоскоростных потоков жидкости). Метод ТПВЖ основан на свойстве большинства жидкостей (в частности, воды) поглощать ИК излучение на субмиллиметровом масштабе и позволяет проводить измерение и анализ неизотермических турбулентных пульсаций жидкости в пограничном слое через стенки, прозрачные для ИК излучения. Благодаря высокоскоростной регистрации (до 400 кадров/с, тепловизор FLIR SC7000), возможно получать информацию не только об изменении температурных полей, но и о спектральных характеристиках течений. Предлагаемый метод является новым, в данный момент идет оформление патента. Цель экспериментов - анализ влияния температурных режимов на энергетические спектры пограничного слоя жидкости.В результате проекта ожидается: 1. получение новых данных об энергетических характеристиках и теплообмене в приповерхностных неизотермических течениях: а) жидкости, б) газа (при энергоподводе); 2. апробация современных методов визуализации и диагностики физических полей для анализа приповерхностных течений жидкости и газа с энергообменом; 3. создание программ численного моделирования перечисленных течений, выбор оптимальных граничных условий. Кроме того, использования нового метода ТПВЖ даст возможность существенного научного развития данного метода, и на его основе - прорыва в понимании механизма взаимодействия турбулентного приповерхностного слоя жидкости со стенкой сосуда. В результате количественного сравнения численного моделирования с экспериментальными результатами ожидается получение данных о процессах энергообмена в приповерхностных течениях жидкости и газа. Понимание этих процессов необходимо для создания рекомендаций по коррекции как внешнего воздействия на приповерхностные течения, так и самих течений на поверхность.