Hengeres szabadsugár közelterének nagy-örvény szimulációja Tóth Péter Konzulens: Lohász Máté Márton Bíráló: Régert Tamás

Tartalom A szimulált áramlás A Nagy Örvény Szimuláció Validáció méréshez Numerikus paraméterek Eredmények

Hengeres szabadsugár Zaj! Miért fontos vizsgálni? A dolgozat célja Egyszerű turbulens áramlás Sok gyakorlati alkalmazás: Repülőgép gázturbinák Épületgépészet Égők fúvókái Szövőgépek Zaj! Turbulencia kutatás Miért fontos vizsgálni? A dolgozat célja Szabadsugár akusztikai vizsgálatához az időfüggő áramlás numerikus szimulációja. Az eredmények validációja. Módszer Nagy Örvény Szimuáció (LES) kereskedelmi szoftverrel. Áramlási paraméter a Reynolds-szám: U0 - belépő középvonalbeli sebesség D - fúvókaátmérő - kinematikai viszkozitás Átlagolt áramlás hengerszimmetrikus Közeltér: x < 30D Az áramlás jellemzői önhasonlóak: x>30D

Nagy-Örvény Szimuláció alapgondolata A nagy skálák tartalmazzák az energia nagy részét Felbontott ~80% Modellezett Csak a nagy skálákat számoljuk a kisebbeket nem. Így kisebb felbontású hálón számolhatunk. Nem felbontott skálákat szűrjük és modellezzük (SGS modell).

S. C. Crow & F. H. Champagne 1971 @ The Boeing company Validáció Hálóméret alatti modellek bizonytalansága + numerikus bizonytalanságok Eredmények méréshez való validációja szükséges S. C. Crow & F. H. Champagne 1971 @ The Boeing company Hengeres szabadsugár közel terének részletes vizsgálata hődrótos méréssel Reynolds-szám: Axiális sebesség a középvonalon Rms axiális sebesség profilok Axiális sebességprofilok x/D=0.025, x/D=2, x/D=4, x/D=6, x/D=8 axiális poziciókban Rms axiális sebességingadozás a középvonalon Számítás: Re=106000

Numerikus paraméterek Szoftver: Fluent6 strukturálatlan véges térfogat (cella középpontú, együtt tárolt vátozókiosztás) Non Iterative Time Advancement Bounded Central Difference séma a mozgásegyenlethez Second Order séma a nyomáshoz Nyomás sebesség kapcsolat Fractional Step Method CFL<1 Paralellizáció

Hálók és peremfeltételek Numerikus háló a szabadsugár közelterének szimulációjához Hengerszimmetrikus tartomány Blokk struktúrált háló Cellaszám: 1140075

Hálók és peremfeltételek Kétféle hálószerkezet Cellaszám: 564200 (170085) (982500) Rövid háló a belépő peremfeltétel, hálószerkezet, és hálófelbontás teszteléséhez.

Rövid háló alkalmazhatósága A rövid háló használható paraméter és hálótesztelésre!

Belépő peremfeltételek Turbulencia modellezése a belépésnél: Fluent Spectral Synthesizer-algoritmussal Két paraméter: Turbulencia Intenzitás (I), és Turbulencia disszipációja ( ) Turbulencia intenzitás profilok a belépés melletti első cellában Turbulencia disszipációja: Szimuláció két különböző értékkel: Különböző belépő átlagsebességprofilok tesztelése Állandó belépőprofil Tanh belépőprofil

Belépő peremfeltétel hatásának vizsgálata Ha nincs belépő turbulencia: a konstans belépő profil előnyösebb a tangens hiperbolikusz profilnál (hálófüggő!!). Ha van belépő turbulencia: az átlagolt eredményeket nem befolyásolja hogy pontosan milyen a sebességprofil. A belépő átlagsebesség profil hatásának vizsgálata A turbulencia intenzitása nem befolyásolja jelentősen az eredményeket Kisebb belépő turbulencia disszipáció keskenyebb nyíróréteget eredményezett. A belépő turbulencia hatásának vizsgálata

Hálószerkezet hatása a belépésnél Időfüggő Q-struktúrák a belépésnél A méréshez viszonyítva a nagyobb skewness-el rendlekező hálón pontatlanabbak az eredmények. Kisebb skewness-el rendlekező hálón a turbulens átcsapás hamarabb bekövetkezik Q szintfelületek

Háló felbontás teszt (LES IQ) Celik et al. 2005 alapján: kres felbontott turbulens kinetikus energia ktot teljes kinetikus energia p numerikus séma pontossága ak konstans Richardson-extrapolacióval számolva h háló jellemző mérete

Szimuláció a hosszabb modellen Belépés: Tangens hiperbolikus átlagsebesség profil, turbulencia intenzitás profil Crow1971 méréséhez igazítva turbulencia disszipációja: 0.0023 U^3/D Két hálóméret alatti modell: Smagorinsky és Dinamikus Smagorinsky

Eredmények a középtengelyben Az átlagolt tengelyirányú sebesség Átlagolási időtartam: ~400D/U Szimulációk eredményei 1,5D x-irányú eltolással ábrázolva!

Eredmények a középtengelyben Az tengelyirányú sebesség RMS: Szimulációk eredményei 1,5D x-irányú eltolással ábrázolva!

Sebesség profilok

Sebesség RMS profilok

Koherens struktúrák és időfüggő áramkép Időléptékek jelentősen különböznek a belépésnél és a nyíróréteg szélén.

Összefoglalás Sikerült egy kisebb cellaszámú hálóval részletesen vizsgálni a szabadsugár közeletrének numerikus paraméterktől, illetve belépő peremfeltételtől való függését. A szimuláció erdményei a belépéshez közel kevésbé pontosak, távolabb jól egyeznek a méréssel. A Smagorinsky és a Dinamikus Smagorinsky modell eredményei nagyon hasonlóak. További vizsgálatok szükségesek, főleg a belépő turbulencia megadásával kapcsolatban.

Válasz a bírálatban feltett kérdésre A turbulens átcsapás modellezésétől függ-e leginkább a számított eredmények pontossága a közeltérben? Ha lamináris a belépés: A lamináris turbulens átcsapás helye (módja) jelentősen befolyásolja az eredményeket. Nehéz jól számolni, mert a háló szimmetriájára, SGS modellre nagyon érzékeny. Ha turbulens a belépés: Nincs lamináris turbulens átmenet. A belépésnél a turbulens nyíróréteg jellemzői határozzák meg a szabadsugár fejlődését a közeltérben.

Köszönöm a figyelmet!

Nagy örvény szimuláció Az inkompressziblis nagy örvény szimuláció leíró egyenletei: Szűrt kontinuitás: időfüggő 3D megoldás kell! Szűrt mozgás egy.: deviátor részét kell modellezni: Hálóméret alatti (SGS) modellek: Smagorinsky modell (SM): Dinamikus Smagorinsky modell (DSM): Ahol a jellemző szűrőméret: A modell konstans Cs=konst. térben és időben állandó A modell konstans a felbontott turbulencia spektrumából teszt szűrés segítségével számított, így Cs változó térben és időben

A számítás erőforrásigénye Rövid háló 1 szimuláció 2db AMD64 3200+ processzor: 2 nap Ta=115.2 D/U Hosszú háló 1 szimuláció: 3db AMD64 3200+ processzor: 5 nap Ta=405 D/U Felhasznált számítási erőforrás összegezve: 1 processzorra vetítve: 4900h (~6.8 hónap) Linux cluster: Falióraidő: 1-4 processzor 2720h (~3.7 hónap) Memória: 8.6 Tb

Önhasonlóság Az átlagsebesség profilok kb.: x/D=6-tól önhasonlóak