Развитие гибридных RANS-LES подходов к моделированию турбулентности и разработка эффективных вычислительных технологий решения задач внешней и внутренней аэродинамики и аэроакустики

Проект направлен на достижение существенного прогресса в области математического моделирования турбулентности и расчета генерируемого ею шума на базе современных неэмпирических (вихреразрешающих) подходов, способных уже в недалеком будущем стать основой для предсказания аэродинамических и аэроакустических характеристик турбулентных потоков любой степени сложности, включая отрывные течения. Актуальность этой проблемы определяется тем, что, несмотря на многолетние усилия, направленные на создание надежных методов расчета турбулентных течений во всем мире, вследствие исключительной сложности явления турбулентности, эта задача вплоть до настоящего времени остается одной из немногих нерешенных фундаментальных проблем механики жидкости и газа. Данная проблема имеет также чрезвычайно высокую практическую значимость. Она обусловлена тем, что ряд ведущих отраслей промышленности испытывает острую потребность в надежных методах расчета характеристик турбулентных потоков и создаваемого ими шума, поскольку они позволили бы значительно сократить сроки и стоимость проектирования и создания новой конкурентоспособной техники. Основной конкретной задачей в рамках этой общей проблемы, которую предполагается решить в ходе проекта, является существенное усовершенствование так называемых гибридных RANS-LES моделей турбулентности, базирующихся на совместном использовании осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (RANS) и метода моделирования крупных вихрей (LES). Этот класс моделей, органично сочетающий в себе сильные стороны обоих методов, призван заменить традиционные полуэмпирические RANS модели, которые при всех своих хорошо известных недостатках остаются пока основным рабочим инструментом вычислительной гидродинамики. Однако для достижения этой цели необходимо устранить некоторые важные недостатки существующих RANS-LES гибридов и, прежде всего, решить так называемую проблему “серой области”, то есть области потока, в которой осуществляется переход от RANS к LES моделированию. Вторая важная задача, на решение которой направлен проект, состоит в обеспечении “технологичности” разрабатываемых RANS-LES подходов, что является необходимым условием для начала широкого практического использования этих подходов. Эта задача является общей для гибридных методов и для “чистого” LES, что придает ее решению еще большую научную и практическую значимость. Над решением проблемы “серой области” в настоящее время работают многие научные группы во всем мире. Тем не менее, вплоть до настоящего времени ее удовлетворительного решения не найдено. В рамках данного проекта ее решение предполагается получить на базе двух наиболее развитых гибридных моделей (DDES и IDDES) за счет введения принципиально нового определения подсеточного масштаба LES, основанного на квази-двумерном характере оторвавшихся слоев смешения в пределах серой области. Для подтверждения эффективности предложенных решений планируется применение разработанной методологии для расчета широкого круга сложных внутренних и внешних течений, характеризующихся наличием локальных (с отрывом и присоединением) и глобальных отрывных зон. Наряду с этим, будет рассмотрен ряд задач аэроакустики, включая расчет шума струйных течений, шума, создаваемого при внешнем обтекании элементов планера и в проточных частях вентиляционных систем. Отметим, что применительно к этим задачам ожидается особенно большой выигрыш в точности, обеспечиваемый разработанными методами, поскольку, негативный эффект «серой области» наиболее остро проявляется именно при описании генерации шума турбулентностью оторвавшихся слоев смешения.