Hengeres szabadsugár közelterének nagy-örvény szimulációja

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

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

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

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

5. Rms axiális sebességingadozás a középvonalon Axiális sebességprofilok x/D=0.025, x/D=2, x/D=4, x/D=6, x/D=8 axiális poziciókban Rms axiális sebesség profilok Axiális sebesség a középvonalon Számítás: Re=106000 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:

6. 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

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

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

9. A rövid háló használható paraméter és hálótesztelésre! Rövid háló alkalmazhatósága

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

11. A belépő átlagsebesség profil hatásának vizsgálata A belépő turbulencia 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 turbulencia intenzitásanem befolyásolja jelentősen az eredményeket • Kisebb belépő turbulencia disszipáció keskenyebbnyíróréteget eredményezett. Belépő peremfeltétel hatásának vizsgálata

12. 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

13. Háló felbontás teszt (LES IQ) Celik et al. 2005 alapján: • kresfelbontott turbulens kinetikus energia • ktot teljes kinetikus energia • p numerikus séma pontossága • akkonstans Richardson-extrapolacióval számolva • h háló jellemző mérete

14. 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

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

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

17. Sebesség profilok

18. Sebesség RMS profilok

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

20. 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.

21. 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.

22. Köszönöm a figyelmet!

23. 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

24. 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

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