Výpočet stlačitelného proudění metodou konečných objemů

Podobné dokumenty
Studentská tvůrčí činnost 2009

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

Numerické řešení 2D stlačitelného proudění s kondenzací. Michal Seifert

Colloquium FLUID DYNAMICS 2007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 24-26, 2007 p.1

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Hydromechanické procesy Obtékání těles

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

Studentská tvůrčí činnost D modelování vírových struktur v rozváděcí turbínové lopatkové mříži. David Jícha

κ ln 9, 793 ρ.u.y B = 1 κ ln f r, (2.2) B = 0 pro k s + < 2, 25, (2.3)

Stacionární 2D výpočet účinnosti turbínového jeden a půl stupně

Simulace (nejen) fyzikálních jevů na počítači

PROUDĚNÍ REGULAČNÍ MEZISTĚNOU TURBÍNOVÉHO STUPNĚ PŘI ROTACI OBĚŽNÉHO LOPATKOVÁNÍ. Jaroslav Štěch

Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

CFD simulace obtékání studie studentské formule FS.03

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Software pro modelování chování systému tlakové kanalizační sítě Popis metodiky a ukázka aplikace

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

MODELOVÁNÍ OBTÉKÁNÍ DVOU PRAHŮ V KANÁLU S VOLNOU HLADINOU Modelling of flow over two transversal ribs in a channel with free surface

i j antisymetrický tenzor místní rotace částice jako tuhého tělesa. Každý pohyb částice lze rozložit na translaci, deformaci a rotaci.

Termomechanika 10. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Turbulence

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek 2. a , Roztoky -

Teoretické otázky z hydromechaniky

SVOČ FST Bc. Václav Sláma, Zahradní 861, Strakonice Česká republika

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Mechanika tekutin je nauka o rovnováze a makroskopickém pohybu tekutin a o jejich působení na tělesa do ní ponořená či jí obtékaná.

Martin Červenka, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

Mechanika tekutin. Hydrostatika Hydrodynamika

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Termomechanika 6. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

VLIV KMITÁNÍ TRUBKY NA PŘESTUP TEPLA V KANÁLU MEZIKRUHOVÉHO PRŮŘEZU

Tomáš Syka Komořanská 3118, Most Česká republika

Stabilita torzně kmitajících lopatek v proudícím vzduchu

NUMERICKÝ VÝPOČET RADIÁLNÍHO VENTILÁTORU V KLIMATIZAČNÍ JEDNOTCE

Cejchování kuželové pětiotvorové sondy pro vysokorychlostní aerodynamická měření

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

Ústav termomechaniky AV ČR. Témata diplomových prací (2007) Oddělení dynamiky tekutin Dolejšova 5 Praha 8 mail:

NELINEÁRNÍ JEVY V DISIPATIVNÍCH SYSTÉMECH

Řešení průtoku vazké stlačitelné tekutiny minikanálem

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav mechaniky tekutin a energetiky. Tomáš Hyhĺık,

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra hydrauliky a hydrologie MAGNUSŮV EFEKT. Semestrální práce

U Úvod do modelování a simulace systémů

MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY V OTEVŘENÝCH KORYTECH

Univerzita obrany K-204. Laboratorní cvičení z předmětu AERODYNAMIKA. Měření rozložení součinitele tlaku c p na povrchu profilu Gö 398

Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

nestrukturovaných sítích

Hydrodynamika. Archimédův zákon Proudění tekutin Obtékání těles

1141 HYA (Hydraulika)

MATEMATIKA V MEDICÍNĚ

OPTIMALIZACE KOMPRESOROVÉHO STUP Ě

Výpočet poláry křídla vybaveného klapkami

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

Základy letadlové techniky Ivan Jeřábek

Vznik vztlaku a Aerodynamika rotoru větrné elektrárny

Únosnost kompozitních konstrukcí

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Okrajové podmínky

Numerické modelování interakce proudění a pružného tělesa v lidském vokálním traktu

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Posouzení stability svahu

CFD. Společnost pro techniku prostředí ve spolupráci s ČVUT v Praze, Fakultou strojní, Ústavem techniky prostředí

Termomechanika 11. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Proudění Sborník článků z on-line pokračujícího zdroje Transformační technologie.

CFD výpočtový model bazénu pro skladování použitého paliva na JE Temelín a jeho validace

CFD SIMULACE VE VOŠTINOVÉM KANÁLU CHLADIČE

Výsledný tvar obecné B rce je ve žlutém rámečku

38. VZNIK TLAKOVÉ ZTRÁTY PŘI PROUDĚNÍ TEKUTINY Jiří Škorpík

Řešení parametrů proudu při průtoku stlačitelné vazké tekutiny minikanálem

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ KONSTRUKCÍ

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

O akustických mlýncích prof. Dvořáka

Proudové pole ve vstupní části aerodynamického tunelu

6. Mechanika kapalin a plynů

EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÝ VÝZKUM SPALOVACÍ KOMORY

Numerické řešení proudění stupněm experimentální vzduchové turbíny a budících sil na lopatky

ELT1 - Přednáška č. 6

Proudění stlačitelné tekutiny v úzkém kanále 2016 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STROJNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

1 POPIS MATEMATICKÉHO MODELU. 1.1 Použitý software FLOW-3D. Vodní nádrže , Brno

ŘEŠENÍ TURBULENTNÍHO VAZKÉHO PROUDĚNÍ S ČÁSTICEMI METODOU LARGE EDDY SIMULATION

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Řešení rovnic. - metoda konečných objemů -

Neustálené proudění v otevřených korytech. K141 HY3V (VM) Neustálené proudění v korytech 0

CFD simulace vícefázového proudění na nakloněné desce: porovnání smáčivosti různých kapalin. Martin Šourek

Počítačová mechanika tekutin

Propojení matematiky, fyziky a počítačů

1 Zatížení konstrukcí teplotou

Potenciální proudění

FLUENT přednášky. Turbulentní proudění

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

FLUENT přednášky. Metoda konečných objemů (MKO)

Modelování zdravotně významných částic v ovzduší v podmínkách městské zástavby

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

Otázky pro Státní závěrečné zkoušky

POSTUPY SIMULACÍ SLOŽITÝCH ÚLOH AERODYNAMIKY KOLEJOVÝCH VOZIDEL

133PSBZ Požární spolehlivost betonových a zděných konstrukcí. Přednáška A3. ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

TERMOMECHANIKA PRO STUDENTY STROJNÍCH FAKULT prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. Brno 2013

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

Transkript:

Výpočet stlačitelného proudění metodou konečných objemů Petra Punčochářová Ústav technické matematiky, Fakulta strojní, Vysoké učení technické v Praze Vedoucí práce: Prof. RNDr. K. Kozel DrSc.

Úvod V 80. letech: - vývoj profilů letadel, které pracují v transsonickém a supersonickém režimu rázová vlna interferuje s mezní vrstvou, stává se nestacionární a dochází ke kmitání částí letadla vývoj transsonického stupně turbíny (ÚTAV ČR ve spolupráci se Škoda Plzeň) proto vzniká potřeba vyšetřit chování proudového pole při přechodu do nadzvukové oblasti, tj. zejména polohu a intenzitu rázové vlny, úplav a turbulentní efekty Cíl diplomové práce: vytvořit vlastní software, který bude metodou konečných objemů řešit systém Eulerových rovnic na dané oblasti v transsonickém a supersonickém režimu zvolit oblast a definovat její okrajové podmínky danou oblast zasíťovat zvolit numerické schéma pro systém Eulerových rovnic získané výsledky srovnat s experimentem (R. Dvořák, Sympozium - transsonicum,1975) - vyladit software na definovanou úlohu

Fyzikální předpoklady Pro výpočet byl reálný plyn nahrazen plynem ideálním, pro nějž platí následující předpoklady: - plyn je ideální, nevazký a tepelně nevodivý vnitřní energie plynu je pouze funkcí teploty plyn je stlačitelný Použité vztahy: p=ρ rt - stavová rovnice ideálního plynu p c =κ =κ rt ρ - kvadrát rychlosti zvuku w 2 w 2 1 2 M= - Machovo číslo 2 c Bernoulliho rovnice stavu na vstupu: κ p κ 1 = 1 M 2 κ 1 p0 2 1 ρ κ 1 = 1 M 2 κ 1 ρ0 2

Matematický model nelineární hyperbolický systém Eulerových rovnic v integrálním tvaru: WdV F,G n ds=0 t V V kde W F,G ρ ρw 1 W= ρw 2 e F= ρw 1 ρw 2 p ρw 2 ρw 1 w 2 G= ρw 2 p 1 ρw 1 w 2 w 1 e p 1 w 2 e p - vektor konzervativních proměnných - toky konzervativních proměnných uzavírající rovnice: [ 1 p= κ 1 e ρ w 2 w 2 1 2 2 ] bezrozměrové proměnné: p - tlak ρ - hustota (w1, w2) - vektor rychlosti e - energie systému

Numerické řešení metodou konečných objemů Oblast a její okrajové podmínky, výpočetní síť pevná stěna na ABCD a A B C D (w1,w2)n=0 1 ρ0 p0 α A B C 5% H A. Kanál D p2/p0 Ω H y 0 Ax B C D L ukázka použité sítě, 250 x 20 buněk - změnou tlakového poměru p2/p0 na výstupu měníme proudové pole uvnitř oblasti - k daným okrajovým podmínkám je předpoklad subsonického vstupu a výstupu

Oblast a její okrajové podmínky, výpočetní síť B. Mříž periodická podmínka Wi0=WiY c profil DCA 8% M p2/p α c +a - M α p ukázka použité sítě, 150 x30 buněk pevná stěna na BC a B C (w1,w2)n=0 - oblast je zkosena pod úhlem 45, to umožní snadnou realizaci periodické podmínky - změnou velikosti Machova čísla M nebo úhlu α na vstupu, se změní proudové pole uvnitř oblasti - zeleně orámované podmínky jsou zadávány pro subsonický vstup či výstup - modře orámované podmínky jsou zadávány pro supersonický vstup či výstup

Numerická schémata pro hyperbolické rovnice - řešení metodou konečných objemů na strukturované síti Laxovo - Friedrichsovo schéma Δt W n 1 =W n ij ij μ ij 4 ε F Δy G Δx kn k kn k 4 k =1 4 W k n W ij n k=1 -explicitní, velká numerická vazkost, ε (0.8,1, O( x, y, t) Laxovo Wendroffovo schéma (Richtmyerova verze) P: 1 Δt W n 1/ 2 =W n ij ij μ ij 2 C: Δt W n 1 =W n ij ij μ ij 4 4 ε F Δy G Δx k n k k n k 4 W k n W ij n k =1 k =1 4 F k n 1/ 2 Δy k G k n 1/ 2 Δx k k =1 -explicitní, oscilace v místě nespojitosti, O( x2, y2, t2) Kompozitní schéma - ve formě : m x LW + 1 x LF, kde m počet časových iterací LW schématem

Proudění v kanále Vliv změny tlakového poměru p2/p0 na výstupu - výsledky jsou zobrazeny ve formě izočar Machova čísla ρ 0=1, p0 =1 M =0.699 α =0 p2 =0. 65 p0 nevyvinuté transsonické proudění p2 =0. 65 p0 M =0.761 40 x LW+1 x LF vyvinuté transsonické proudění p2 =0. 60 p0 M =0.770 LF schéma 40 x LW+1 x LF aerodynamické ucpání nelze zvýšit hmotnostní tok kanálem

Proudění v mříži Podzvukové vstupy (M <1) 1. je sledován vývoj transsonického obtékání mříže při zvyšujícím se M 2. výstupní tlak je nastaven na p2/p =1, jedná se o rovnotlakou mříž 3. jsou zadávány vstupní Machova čísla M a je měněn úhel nabíhajícího proudu α 4. řešení je vypočteno kompozitním schématem 5. velikost numerické vazkosti je měněna podle daných podmínek (změnou formy schématu), tak aby výsledek odpovídal co nejvíce experimentu 6. je sledována struktura izočar v poli, zejména tvar zvukové čáry 7. je srovnáno nastavení vstupních podmínek při výpočtu a v experimentu 8. výsledky jsou uvedeny ve formě izočar Machova čísla, M=0.025, zvuková čára je zvýrazněna tlustě 9. interferogramy jsou zobrazeny ve formě izočar hustoty, zvuková čára je zvýrazněna červeně

A) - vývoj supersonické oblasti na horním profilu M =0.813, α =0, p2/p =1 - vývoj supersonické oblasti na horním profilu i na spodním profilu M =0.845, α =0, p2/p =1, M1=0.818, 90.LW+1.LF B) M =0.832, α =0, p2/p =1 - vývoj supersonické oblasti na spodním profilu, na horním profilu zvětšení supersonické oblasti, mění se tvar izočar na vstupu do mříže - změna tvaru oblasti na spodním M =0.850, α =0.9, p2/p =1, M1=0.833, 90.LW+1.LF profilu, na horním profilu zvětšení supersonické oblasti, jiný úhel nabíhajícího proudu změní tvar izočar

C) - přemostění mezilopatkového kanálu zvukovou čarou, nedochází k aerodynamickému ucpání M =0.849, α =0, p2/p =1 M =0.930, α =-2.0, p2/p =1, M1=0.852, 20.LW+1.LF D) - zvýšena numerická vazkost schématu, přechod mezi supersonickou a subsonickou oblastí na horním profilu u odtokové hrany je méně ostrý, úhel náběhu mění tvar zvukové čáry - mění se tvar zvukové čáry, zvětšuje se supersonická oblast M =0.863, α =0, p2/p =1 - tvar zvukové čáry na vstupu do mříže se liší s tvarem zvukové čáry experimentu, který je ovlivněn poruchami v poli M =0.950, α =0, p2/p =1, M1=0.898, 40.LW+1.LF

Nadzvukové vstupy (M >1) 1. je sledován vývoj supersonického obtékání mříže při zvyšujícím se M 2. jsou zadávány vstupní Machova čísla M a je měněn úhel nabíhajícího proudu α 3. řešení je vypočteno kompozitním schématem 4. velikost numerické vazkosti je měněna podle daných podmínek (změnou formy schématu), tak aby výsledek odpovídal co nejvíce experimentu 5. je sledována struktura izočar v poli, zejména tvar zvukové čáry 6. je srovnáno nastavení vstupních podmínek při výpočtu a v experimentu 7. výsledky jsou uvedeny ve formě izočar Machova čísla, M=0.05, zvuková čára je zvýrazněna tlustě 8. interferogramy jsou zobrazeny ve formě izočar hustoty, zvuková čára je zvýrazněna červeně

A) Experiment: M =0.946, α =0, p2/p =1 Výpočet: M =1.05, α =0, p2/p =1, M1=0.965, 40.LW+1.LF - zvuková čára zasahuje nad střední proudnici mezilopatkového kanálu - uvnitř supersonické oblasti vzniká na spodním profilu rázová vlna, která není tak patrná v numerickém řešení (vlivem numerické vazkosti) a tato vlna uzavírá zvukovou čáru.

B) Experiment: M =0.982, α =0, p2/p =1 Výpočet: M =1.08, α =0, p2/p =1, M1=0.981, 70.LW+1.LF - uzavírací rázová vlna na spodním profilu se posouvá směrem k odtokové hraně - roste supersonická oblast

C) Experiment: M =1.013, α =0, p2/p =1 Výpočet: M =1.120, α =0, p2/p =1, M1=1.009, 55.LW+1.LF - uzavírací rázová vlna přechází v čelní rázovou vlnu sousedního profilu - zvuková čára se uzavírá mezi spodní hranou profilu a hranou k ní přivrácenou, vymezuje tak subsonickou oblast

D) Experiment: M =1.073, α =0, p2/p =1 Výpočet: M =1.150, α =0, p2/p =1, M1=1.030, 40.LW+1.LF - u odtokové hrany spodního profilu je dobře patrná šikmá rázová vlna - v numerickém řešení je již lehce patrná čelní rázová vlna

Závěr 2. Cíl diplomové práce, vytvořit vlastní software, který je schopen řešit systém Eulerových rovnic metodou konečných objemů na dané oblasti, byl dosažen. 3. Řešení proudového pole mezi profily se shoduje s proudovým polem experimentu, řešení proudového pole za mříží nedosahuje dobré shody s experimentem. 4. Výpočet s kompozitním schématem konverguje pomalu s nízkými rezidui. 5. Poruchy v proudovém poli způsobené vazkostí plynu a interakcí rázové vlny s mezní vrstvou a úplavem nelze s použitím matematického modelu systému Eulerových rovnic popsat. Budoucí cíle: - Použití Mac Cormackovo schématu s TVD vazkostí - Nahrazení modelu Eulerových rovnic modelem Navierových Stokesových rovnic, který popisuje stlačitelnou, vazkou tekutinu. Literatura [1] Dvořák R.: Transsonické proudění. Akademia, Praha, 1986 [2] Dvořák R., Kozel K.: Matematické modelování v aerodynamice. ČVUT, Praha, 1996 [3] Kozel K., Fürst J.: Numerické metody řešení problémů proudění I. ČVUT, Praha, 2001