Анализ физической адекватности численного расчета коэффициента восстановления температуры при различных вариантах постановки задачи

Статья в Elpub

Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 16-29

Анализ физической адекватности численного расчета коэффициента восстановления температуры при различных вариантах постановки задачи

Аннотация

Методами численной газодинамики было проведено исследование распределения температуры торможения в турбулентном пограничном слое сжимаемого газа в прямоугольном теплоизолированном канале при сверхзвуковом режиме течения. Была проведена сравнительная оценка адекватности данных, получаемых при использовании k - e 8 SST моделей турбулентности и различных вариантах постановки граничных условий. Показано, что наложение стандартного граничного условия в виде теплоизолированной стенки иногда приводит к занижению коэффициента восстановления температуры на стенке. При этом для получения корректного граничного условия адиабатности необходима дополнительная верификация с использованием эмпирических зависимостей для коэффициента восстановления температуры. DOI: 10.7463/aersp.0216.0837915

Список литературы

1. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат. 1985. 320 с.

2. Eckert E., Drewitz O. Die Berechnung des Temperaturfeldes in der laminaren Grenzschicht schnell angeströmter, unbeheizter Körper // Luftfahrt-Forschung. 1942. Bd. 19. С. 189-196.

3. Леонтьев А.И. Газодинамические методы температурной стратификации (обзор) // Известия РАН. МЖГ. 2002. № 4. С. 6-26.

4. Бурцев С.А. Анализ влияния различных факторов на значение коэффициента восстановления температуры на поверхности тел при обтекании потоком воздуха. Обзор // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 11.28 с.DOI: 10.7463/1104.0551021

5. Леонтьев А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков //Теплофизика высоких температур. 1997. Т. 35. № 1. С. 157-159.

6. Леонтьев А.И., Щеголев Н.Л., Носатов В.В., Стерелюхин С.А. Новый газодинамический метод температурной стратификации газа // Сб. тез. докл. 10-й Всерос. межвуз. н.-т. конф. "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели". М.: Изд-во ГПНТБ, 1996. С. 76-77.

7. Леонтьев А.И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Докл. РАН. 1997. Т. 354. №4. С. 475-477.

8. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке газа // Изв. РАН. Энергетика. 2000. № 5. С. 101-113.

9. Бурцев С.А.Исследование температурной стратификации газа // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 1998. № 2. С. 65-72.

10. Бурцев С.А. Исследование температурного разделения в потоках сжимаемого газа: дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2001. 124 с.

11. Леонтьев А.И., Бурцев С.А., Визель Я.М., Чижиков Ю.В. Экспериментальное исследование газодинамической температурной стратификации природного газа / // Газовая промышленность. 2002. № 11. С. 72-75.

12. Бурцев С.А. Исследование устройства температурной стратификации при работе на природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 9. 21 с. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/516097.html (дата обращения 20.01.2016).

13. Виноградов Ю.А., Ермолаев И.К., Здитовец А.Г., Леонтьев А.И. / Измерение равновесной температуры стенки сверхзвукового сопла при течении смеси газов с низким значением числа Прандтля // Известия РАН. Энергетика. 2005. № 4. С. 128-133.

14. Здитовец А.Г., Титов А.А. Экспериментальное исследование газодинамического метода безмашинного энергоразделения воздушных потоков // Тепловые процессы в технике. 2013. № 9. С. 391-397.

15. Бурцев С.А. Исследование путей повышения эффективности газодинамического энергоразделения // ТВТ. 2014. Т. 52. № 1. С. 14-21. DOI: 10.7868/S0040364414010062.

16. Леонтьев А.И., Бурцев С.А. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, №2, С. 310-322.

17. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. С. 314-329.DOI: 10.7463/0514.0710811.

18. Бурцев С.А., Киселёв Н.А., Васильев В.К., Титов А.А. Экспериментальное исследование характеристик поверхностей, покрытых регулярным рельефом // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 1. С. 263-290. DOI: 10.7463/0113.0532996.

19. Бурцев С.А., Киселёв Н.А., Леонтьев А.И. Особенности исследования теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей // ТВТ. 2014. Т. 52. № 6. С. 895-898. DOI: 10.7868/S0040364414060052.

20. Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Потенциал энергосбережения различных способов закрутки потока и дискретно шероховатых каналов (обзор) // Известия РАН. Энергетика. 2010. № 1. С. 13-49.

21. ANSYS Fluent 12.0 Theory Guide. Режим доступа: http://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/node101.htm (дата обращения: 15.03.2016 г.).

22. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

23. Клюквин А.Д. Верификация численного расчета параметров ламинарного пограничного слоя. // Молодежный научно-технический вестник. Электр. журн. 2015. № 4 (http://sntbul.bmstu.ru/doc/775027.html)

24. Петухов Б.С. Теплообмен в движущейся однофазной среде. Ламинарный пограничный слой: Монография. М.: Издательство МЭИ. 1993. 352с.

25. H.K. Versteeg, W. Malasekera. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. The Finite Volume Method. New York, Longman Scientific and technical, 1995. 257 p.

Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 16-29

Analysing a Numerical Calculation Adequacy of the Recovery Factor for Various Problem Statement Options

Kliukvin A. D.

Abstract

The paper studies a recovery temperature distribution in a turbulent boundary layer of the compressible gas in a rectangular heat-insulated channel in supersonic flow mode using the numerical methods of gas dynamics. The software package ANSYS Fluent was used for calculation.
In the numerical simulation were used SST and k-epsilon turbulence models with two types of thermal boundary conditions on the channel wall: the standard adiabatic condition, provided by the software package, as well as the user boundary condition (UDF) based on the empirical dependence of the recovery factor in a turbulent boundary layer on the Prandtl number of the medium.
A data analysis showed that an application of the standard boundary condition of a heatinsulated wall, in some cases, results in recovery factor values on the wall, corresponding to the laminar rather than turbulent boundary layer.
For all options of the numerical model under consideration was found a non-zero value of the heat flow to the adiabatic wall. In the case of setting the user boundary conditions, this fact is due to the approximate nature of the dependence of the recovery factor on the Prandtl number.
For standard boundary condition of an adiabatic wall the most likely explanation for this result is a feature of the numerical solution scheme, according to which, to set the zero heat flow, is used a number of ghost cells, which can lead to the heat pattern distortion in the computational domain in the vicinity of the wall.
Correction of boundary conditions using an empirical relationship for the recovery factor enabled us to reduce the heat flows and have a better approximation of the adiabatic boundary condition.
Thus, it follows from the data obtained that the calculation of heat exchange in a turbulent boundary layer by means of ANSYS Fluent software physically yet does not provide the adequate results, and for its update at the moment the third party experimental data are required.

References

1. Kutateladze S.S., Leont'ev A.I. Teplomassoobmen i trenie v turbulentnom pogranichnom sloe. 2-e izd., pererab. M.: Energoatomizdat. 1985. 320 s.

2. Eckert E., Drewitz O. Die Berechnung des Temperaturfeldes in der laminaren Grenzschicht schnell angeströmter, unbeheizter Körper // Luftfahrt-Forschung. 1942. Bd. 19. S. 189-196.

3. Leont'ev A.I. Gazodinamicheskie metody temperaturnoi stratifikatsii (obzor) // Izvestiya RAN. MZhG. 2002. № 4. S. 6-26.

4. Burtsev S.A. Analiz vliyaniya razlichnykh faktorov na znachenie koeffitsienta vosstanovleniya temperatury na poverkhnosti tel pri obtekanii potokom vozdukha. Obzor // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2004. № 11.28 s.DOI: 10.7463/1104.0551021

5. Leont'ev A.I. Gazodinamicheskii metod energorazdeleniya gazovykh potokov //Teplofizika vysokikh temperatur. 1997. T. 35. № 1. S. 157-159.

6. Leont'ev A.I., Shchegolev N.L., Nosatov V.V., Sterelyukhin S.A. Novyi gazodinamicheskii metod temperaturnoi stratifikatsii gaza // Sb. tez. dokl. 10-i Vseros. mezhvuz. n.-t. konf. "Gazoturbinnye i kombinirovannye ustanovki i dvigateli". M.: Izd-vo GPNTB, 1996. S. 76-77.

7. Leont'ev A.I. Temperaturnaya stratifikatsiya sverkhzvukovogo gazovogo potoka // Dokl. RAN. 1997. T. 354. №4. S. 475-477.

8. Burtsev S.A., Leont'ev A.I. Temperaturnaya stratifikatsiya v sverkhzvukovom potoke gaza // Izv. RAN. Energetika. 2000. № 5. S. 101-113.

9. Burtsev S.A.Issledovanie temperaturnoi stratifikatsii gaza // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Mashinostroenie. 1998. № 2. S. 65-72.

10. Burtsev S.A. Issledovanie temperaturnogo razdeleniya v potokakh szhimaemogo gaza: dis. ... kand. tekhn. nauk. M.: MGTU imeni N.E. Baumana, 2001. 124 s.

11. Leont'ev A.I., Burtsev S.A., Vizel' Ya.M., Chizhikov Yu.V. Eksperimental'noe issledovanie gazodinamicheskoi temperaturnoi stratifikatsii prirodnogo gaza / // Gazovaya promyshlennost'. 2002. № 11. S. 72-75.

12. Burtsev S.A. Issledovanie ustroistva temperaturnoi stratifikatsii pri rabote na prirodnom gaze // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2004. № 9. 21 s. Rezhim dostupa: http://technomag.bmstu.ru/doc/516097.html (data obrashcheniya 20.01.2016).

13. Vinogradov Yu.A., Ermolaev I.K., Zditovets A.G., Leont'ev A.I. / Izmerenie ravnovesnoi temperatury stenki sverkhzvukovogo sopla pri techenii smesi gazov s nizkim znacheniem chisla Prandtlya // Izvestiya RAN. Energetika. 2005. № 4. S. 128-133.

14. Zditovets A.G., Titov A.A. Eksperimental'noe issledovanie gazodinamicheskogo metoda bezmashinnogo energorazdeleniya vozdushnykh potokov // Teplovye protsessy v tekhnike. 2013. № 9. S. 391-397.

15. Burtsev S.A. Issledovanie putei povysheniya effektivnosti gazodinamicheskogo energorazdeleniya // TVT. 2014. T. 52. № 1. S. 14-21. DOI: 10.7868/S0040364414010062.

16. Leont'ev A.I., Burtsev S.A. Issledovanie vliyaniya dissipativnykh effektov na temperaturnuyu stratifikatsiyu v potokakh gaza (obzor) // Teplofizika vysokikh temperatur. 2014. T. 52, №2, S. 310-322.

17. Burtsev S.A., Kochurov D.S., Shchegolev N.L. Issledovanie vliyaniya doli geliya na znachenie kriteriya Prandtlya gazovykh smesei // Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2014. № 5. S. 314-329.DOI: 10.7463/0514.0710811.

18. Burtsev S.A., Kiselev N.A., Vasil'ev V.K., Titov A.A. Eksperimental'noe issledovanie kharakteristik poverkhnostei, pokrytykh regulyarnym rel'efom // Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2013. № 1. S. 263-290. DOI: 10.7463/0113.0532996.

19. Burtsev S.A., Kiselev N.A., Leont'ev A.I. Osobennosti issledovaniya teplogidravlicheskikh kharakteristik rel'efnykh poverkhnostei // TVT. 2014. T. 52. № 6. S. 895-898. DOI: 10.7868/S0040364414060052.

20. Leont'ev A.I., Olimpiev V.V. Potentsial energosberezheniya razlichnykh sposobov zakrutki potoka i diskretno sherokhovatykh kanalov (obzor) // Izvestiya RAN. Energetika. 2010. № 1. S. 13-49.

21. ANSYS Fluent 12.0 Theory Guide. Rezhim dostupa: http://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/node101.htm (data obrashcheniya: 15.03.2016 g.).

22. Vargaftik N.B. Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei. M.: Nauka, 1972. 720 s.

23. Klyukvin A.D. Verifikatsiya chislennogo rascheta parametrov laminarnogo pogranichnogo sloya. // Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik. Elektr. zhurn. 2015. № 4 (http://sntbul.bmstu.ru/doc/775027.html)

24. Petukhov B.S. Teploobmen v dvizhushcheisya odnofaznoi srede. Laminarnyi pogranichnyi sloi: Monografiya. M.: Izdatel'stvo MEI. 1993. 352s.

25. H.K. Versteeg, W. Malasekera. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. The Finite Volume Method. New York, Longman Scientific and technical, 1995. 257 p.