Particle-based method for investigation of the physical processes in the complex industrial tasks

The main task of this paper is improved of modeling accuracy and understanding of the physical process which arises in complex industrial tasks using Euler-Lagrange approach. There were two cases under the study. The first one was aimed to study the dynamics of selforganized turbulent structures. A first qualitative insight into the entrainment process in wind farm is obtained through particle tracking. The second case is focusing on developing the EulerLagrange approach for the understanding of the physical processes occurring the water droplets injection into a jet. The water droplets, coming out of the special sockets, are simulated by packages (parcels) of particles of a certain mass and size according to the specified flow rate. Parcels moving in the flow, breakup at high speeds, heating and evaporation are investigated

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ ОДИНОЧНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

It is known that on the territory of the Russian Federation the construction of several large wind farms is planned. The tasks connected with design and efficiency evaluation of wind farm work are in demand today. One of the possible directions in design is connected with mathematical modeling. The method of large eddy simulation developed within the direction of computational hydrodynamics allows to reproduce unsteady structure of the flow in details and to determine various integrated values. The calculation of work for single wind turbine installation by means of large eddy simulation and Actuator Line Method along the turbine blade is given in this work. For problem definition the numerical method in the form of a box was considered and the adapted unstructured grid was used.The mathematical model included the main equations of continuity and momentum equations for incompressible fluid. The large-scale vortex structures were calculated by means of integration of the filtered equations. The calculation was carried out with Smagorinsky model for determination of subgrid scale turbulent viscosity. The geometrical parametersof wind turbine were set proceeding from open sources in the Internet.All physical values were defined at center of computational cell. The approximation of items in equations was executed with the second order of accuracy for time and space. The equations for coupling velocity and pressure were solved by means of iterative algorithm PIMPLE. The total quantity of the calculated physical values on each time step was equal to 18. So, the resources of a high performance cluster were required.As a result of flow calculation in wake for the three-bladed turbine average and instantaneous values of velocity, pressure, subgrid kinetic energy and turbulent viscosity, components of subgrid stress tensor were worked out. The received results matched the known results of experiments and numerical simulation, testify the opportunity to adequatelycalculate the flow parameters for a single wind turbine.Известно, что на территории РФ планируется строительство нескольких крупных ветропарков. Задачи, связанные с проектированием и с оценкой эффективности работы ветропарков, являются актуальными на сегодняшний день. Одно из возможных направлений в проектировании связано с математическим моделированием. Метод крупных вихрей (вихреразрешающее моделирование), разработанный в рамках направления вычислительной гидродинамики, позволяет в деталях воспроизводить нестационарную структуру течения и определить различные интегральные характеристики.В данной статье проведен расчет работы одиночной ветроэлектрической установки с помощью метода крупных вихрей и метода плоских сечений вдоль лопасти турбины. Для постановки задачи рассматривалась расчетная область в форме параллелепипеда и использовалась адаптированная неструктурированная сетка. Математическая модель включала в себя основные уравнения неразрывности и количества движения для несжимаемой жидкости. Крупномасштабные вихревые структуры рассчитывались при помощи интегрирования фильтрованных уравнений. Расчет был проведен с использованием модели Смагоринского для определения значения турбулентной подсеточной вязкости. Геометрические параметры ветроэлектрической установки задавались исходя из открытых источников в интернете.Все физические величины в расчетной области определялись в центре расчетной ячейки. Аппроксимация слагаемых в исходных уравнениях была выполнена со вторым порядком точности по времени и пространству. Уравнения для связи скорости и давления решались с помощью итерационного алгоритма PIMPLE.Общее количество рассчитываемых физических величин на каждом временном шаге равнялось 18. В связи с этим требовались ресурсы вычислительного кластера.В результате расчета течения в следе для трехлопастной турбины получены осредненные и мгновенные значения скорости, давления, подсеточной кинетической энергии и турбулентной вязкости, компоненты тензора подсеточных напряжений. Полученные результаты, качественно совпадающие с известными результатами экспе-риментов и численных расчетов, свидетельствуют о возможности адекватно рассчитать параметры течения дляодиночной ветроэлектрической установки

ВЕРИФИКАЦИЯ ГИБРИДНОЙ ЧИСЛЕННОЙ СХЕМЫ ДЛЯ ЗАДАЧИ НАТЕКАНИЯ СЖИМАЕМОЙ СТРУИ НА ТВЕРДУЮ ПРЕГРАДУ

The article deals with the questions of mathematical modeling of compressible jet outflow from model nozzle and jet impingiment on flat plate at various values of n. pisoCentralFoam solver which is based on the Kurganov-Tadmor hybrid numerical scheme, PISO algorithm and finite volume method, is used for the solution of this problem. The model, based on unsteady Reynolds equation and K-omega SST turbulence model with boundary functions is used for compressible jet calculation. The problem definition for calculation of jet impingiment on flat plate is given. The simulation domainwas selected as a rectangle. Only a half of the nozzle was considered for simplification. The mixed boundary condition for pressure setting in case of free jet was used on the outlet of simulation domain. The special condition for the pressure with table data, allowed to increase the value of pressure gradually, was used on the inlet of simulation domain. The value of the jet pressure degree was selected as n = 2.5 and n = 5.0. The results of distribution of the velocity magnitude, field pressure, upon symmetry axes were received. The simulations were done with grids 100 000-500 000 cells. The average value of y+ was equal to 270. The calculations were done for the end time Tend = 0.01 s. Comparison of the results of pressure distribution calculation based on nozzle length on different grids with the results of the experiment is carried out. The coincidence to engineering accuracy of 5 % is received.В статье рассматриваются вопросы математического моделирования истечения свободной сжимаемой турбулентной струи из модельного сопла и натекания струи на твердую преграду при различных степенях нерасчетности. Для решения задачи используется разработанный авторами статьи решатель pisoCentralFoam на базе гибридной численной схемы Kurganov-Tadmor, алгоритма PISO и метода контрольного объема. Для расчета сжимаемой струи используется модель на базе нестационарных уравнений Рейнольдса и k-omega SST модели турбулентности с пристеночными функциями. Приведена постановка задачи для расчета натекания струи на преграду. Расчетная область представляла собой прямоугольник. Для упрощения постановки задачи рассматривалось только половина сопла. Для случая свободной струи на задания давления на выходе расчетной области использовалось смешанное граничное условие 3-го рода. На входе расчетной области задавалось специальное табличное условие для давления, которое позволяло постепенно поднимать абсолютное значений для давления. Значение степени нерасчетности струи выбиралось равным n = 2,5 и n = 5,0. Проведен анализ сеточной сходимости на сетках от 100 тысяч до 500 тысяч ячеек. Среднее значение величины y+ составило 270. Расчеты проводились для конечного времени Tend = 0,01 секунды. Получены результаты распределения поля модуля скорости, давления на оси симметрии. Проведено сравнение результатов расчета распределения давления по длине сопла на разных расчетных сетках с результатами эксперимента. Получено совпадение с результатами эксперимента с точностью в 5 %

Определение акустического шума при воздействии вихревого потока на профиль крыла

The calculation of turbulent flow using LES model and prediction of sound generated by a rod-airfoil configuration was done using OpenFoam code and library libAcoustics. Good results are obtained for frequency and drag coefficients compared with results from experiment. The additional investigation need to be performed for improvement of SPL results.С помощью математического моделирования с использованием метода крупных вихрей проведено исследование по определению акустического шума, создаваемого системой цилиндр-профиль крыла в дозвуковом потоке. Проведено сравнение с результатами эксперимента, проведенного в безэховой камере

MODELLING OF TURBULENT WAKE FOR TWO WIND TURBINES

The construction of several large wind farms (The Ulyanovsk region, the Republic of Adygea, the Kaliningrad region, the North of the Russian Federation) is planned on the territory of the Russian Federation in 2018–2020. The tasks, connected with the design of new wind farms, are currently important. One of the possible direction in the design is connected with mathematical modeling. Large eddy method (eddy-resolving simulation), developed within the Computational Fluid Dynamics, allows to reproduce unsteady structure of the flow in details and define various integrated characteristics for wind turbines. The mathematical model included the main equations of continuity and momentum equations for incompressible viscous flow. The large-scale vortex structures were calculated by means of integration the filtered equations. The calculation was carried out using lagrangian dynamic Smagorinsky’s model to define turbulent subgrid viscosity. The parallelepiped-shaped numerical domain and 3 different unstructured meshes (with 2,4,8 million cells) were used for numerical simulation.The geometrical parameters of wind turbine were set proceeding to open sources for BlindTest 2–4 project from Internet. All physical values were defined at the center of computational cell. The approximation of items in the equations was performed with the second order of accuracy for time and space. The equations for coupling of velocity, pressure were solved by means of iterative algorithm PIMPLE. The total quantity of the calculated physical values at each time step was equal 18. So, the resources of a high performance computer were required. As a result of flow simulation in the wake for two three-bladed wind turbines the average and instantaneous values of velocity, pressure, subgrid kinetic energy, turbulent viscosity, components of stress tensor were calculated. The received results qualitatively matching the known results of experiment and numerical simulation testify to an opportunity to adequately calculate flow parameters for several wind turbines

PREDICTION OF NOISE FROM TURBULENT FLOW FOR AIRFOIL

The calculation of turbulent flow using LES model and prediction of sound generated by a rod-airfoil configuration was done using OpenFoam code and library libAcoustics. Good results are obtained for frequency and drag coefficients compared with results from experiment. The additional investigation need to be performed for improvement of SPL results