Numerical Study of Swirling Jet Streams Based on Modern Turbulence Models

В данной статье рассматривается закрученная струя, основанная на двухжидкостной модели турбулентности. Эта задача, несмотря на свою простоту, является довольно сложной задачей для многих моделей турбулентности, поскольку в закрученных потоках наблюдается анизотропная турбулентность. Поэтому многие современные модели RANS не способны описать такие течения даже качественно. Двухжидкостная модель, используемая в данной работе, была разработана недавно. Новаторская работа показывает, что основой для построения этой модели является возможность представления турбулентного потока как гетерогенной смеси двух жидкостей. Подход был предложен Сполдингом. Идея этого подхода состоит в том, чтобы представить турбулентность как взаимопроникающее движение двух жидкостей, причем пульсирующий характер турбулентного потока обусловлен их относительным перемещением. Для каждой жидкости записывается собственное уравнение движения, что приводит к замкнутой системе уравнений. Эти исследования также показывают, что разработанная двухжидкостная модель способна адекватно описывать сложную анизотропную турбулентность. Для численной реализации уравнений турбулентной осесимметричной закрученной струи использовались равномерная шахматная сетка расчетов и метод контрольного объема, а коррекция скорости проводилась простым способом. Полученные численные результаты сравниваются с экспериментальными данными из базы данных ERCOFTAC. Показано, что результаты двухжидкостной модели, несмотря на использование довольно грубой расчетной сетки, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Ключевые слова

закрученная струя; двухжидкостная модель; схема против течения; закручивание; быстрая схема.

Литература

1. Malikov Z.M., Nazarov, F.K. Numerical Study of a Two-Phase Flow in a Centrifugal Dust Collector Based on a Two-Fluid Turbulence Model. Mathematical Models and Computer Simulations, 2021, vol. 13, no. 5, pp. 790-797. DOI: 10.1134/S207004822105015X
2. Malikov Z.M., Madaliev M.E. Numerical Simulation of Separated Flow Past a Square Cylinder Based on a Two-Fluid Turbulence Model. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2022, vol. 231, article ID: 105171. DOI: 10.1016/j.jweia.2022.105171
3. Arunajatesan S., Sinha N. Hybrid RANS-LES Modeling for Cavity Aeroacoustics Predictions. International Journal of Aeroacoustics, 2003, vol. 2, no. 1, pp. 65-91.
4. Arunajatesan S.A., Dash S.M. Progress Towards Hybrid RANS-LES Modeling For High-Speed Jet Flows. 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2002, 13 p. DOI: 10.2514/6.2002-428
5. Sinha N., Hosangadi A., Dash S.M. The CRAFT NS Code and Preliminary Applications to Steady/Unsteady Reacting, Multi-Phase Jet/Plume Flowfield Problems. CPIA Pub. 568 May 1991.
6. Rai M.M., Moin P. Direct Numerical Simulation of Transition and Turbulence in a Spatially Evolving Boundary Layer. Journal of Computational Physics, 1993, vol. 109, pp. 162-192.
7. Forsythe J.R. Numerical Computation of Turbulent Separated Supersonic Flow Fields. Ph.D Thesis, Wichita State University, 2000.
8. Smirnov A., Shi S., Celik I. Random Flow Generation Technique for Large Eddy Simulations and Particle-Dynamics Modeling. Journal of Fluids Engineering, 2001, vol. 123, pp. 359-371. DOI: 10.1115/1.1369598
9. Hall M.G. Vortex Breakdown. Annual Review of Fluid Mechanics, 1972, vol. 4, pp. 195-218. DOI: 10.1146/annurev.fl.04.010172.001211
10. Gupta A.K., Lilley D.G., Syred N. Swirl Flows. Abacus Press, Cambridge, 1984.
11. Lucca-Negro O., O'Doherty T. Vortex Breakdown: A Review. Progress in Energy and Combustion Science, 2001, vol. 27, no. 4, pp. 431-481. DOI: 10.1016/S0360-1285(00)00022-8
12. Oberleithner K., Paschereit C.O., Seele R., Wygnanski I. Formation of Turbulent Vortex Breakdown: Intermittency, Criticality, and Global Instability. Journal of American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2012, vol. 50, no. 7, pp. 1437-1452.
13. Spalding D.B. A Turbulence Model for Buoyant and Combusting Flows. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1985, vol. 24, no. 1, pp. 1-23. DOI: 10.1002/nme.1620240102
14. Spalding D.B. Chemical Reaction in Turbulent Fluids. Journal Physico-Chemical Hydrodynamics, 1983, vol. 4, pp. 323-336.
15. Hoshoudi G.A. Rayleigh-Taylor Instability in a Magnetized Quantum Plasma Taking into Account Viscosity. Plasma Physics, 2011, vol. 37, no. 9, pp. 831-840. DOI: 10.1134/S1063780X11080046
16. Markatos N.C., Kotsifaki C.A. One-Dimensional, Two-Fluid Modelling of Turbulent Premixed Flames. Applied Mathematical Modelling, 1994, vol. 18, no. 12, pp. 646-657. DOI: 10.1016/0307-904X(94)90389-1
17. Shen Yongming, Chiu On Ng, Allen T.Y. Chwang. A Two-Fluid Model of Turbulent Two-Phase Flow for Simulating Turbulent Stratified Flows. Ocean Engineering, 2003, vol. 30, pp. 153-161. DOI: 10.1016/S0029-8018(02)00020-3
18. Starchenko A.V., Nuterman R.B., Danilkin E.A. Numerical Study of Turbulent Flows and Pollution Transport in Street Canyons. Tomsk University Press, Tomsk, 2015.
19. Malikov Z.M. Mathematical Model of Turbulence Based on the Dynamics of Two Fluids. Applied Mathematical Modelling, 2020, vol. 82, pp. 409-436.
20. Malikov Z.M., Fayziev R.A., Navruzov D.P., Malikov B.Z. Simulation of Swirling Flows Based on Modified Two-Fluid Turbulence Model. Proceedings of the 6th International Conference on Future Networks Distributed Systems, 2022, pp. 27-32. DOI: 10.1145/3584202.3584207
21. European Research Community on Flow,Turbulence and Combusion, ercoftac.org
22. Dulin V.M. Turbulent Structure and Dynamics of Jet Streams with Swirling and Gorenje, 2014, 274 p.
23. Leonard B.P. A Stable and Accurate Convective Modeling Procedure Based on Quadratic Upstream Interpolation. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1979, vol. 19, pp. 59-98. DOI: 10.1016/0045-7825(79)90034-3
24. Patankar S.V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Taylor and Francis Publishing Office, Philadelphia, 1980.
25. Tannehill J., Anderson D., Pletcher R. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Second Edition. Taylor and Francis Publishing Office, Philadelphia, 1997.
26. Navruzov D.P., Madaliev M.E., Pulatov T.R., Juraev S.R., Boltayev S.A. Direct Numerical Simulation of Flow in a Flat Channel with a Rectangular Step Based on the Nonstationary Navier-Stokes Equations. American Institute of Physics Conference Proceedings, 2023, vol. 2612, no. 1, article ID: 030007. DOI: 10.1063/5.0135306
27. Malikov Z.M., Navruzov D.P. Modeling of Turbulent Natural Convection Based on a Two-Fluid Approach. Computational Continuum Mechanics, 2024, vol. 17, no. 1, pp. 111-118. DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.1.10
28. Kholboev B.M., Navruzov D.P., Asrakulova D.S., Engalicheva N.R., Turemuratova A.A. Comparison of the Results for Calculation of Vortex Currents after Sudden Expansion of the Pipe with Different Diameters. International Journal of Applied Mechanics and Engineering, 2022, vol. 27, no. 2, pp. 115-123. DOI: 10.2478/ijame-2022-0023