Details

Работа посвящена оценке возможностей современных методов математического моделирования сверхзвуковых течений, предоставляемых коммерческим гидродинамическим пакетом ANSYS Fluent, на примере задачи турбулентного отрывного обтекания сверхзвуковым потоком вязкого сжимаемого газа обратного уступа с большим углом наклона подветренной грани в -45°. Валидация результатов численного моделирования осуществлялась на основе сравнительного анализа с экспериментальными данными. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1. Проведение сравнительного анализа результатов численного моделирования в двумерной постановке на основе стационарных уравнений Рейнольдса, замкнутых с использованием широкого набора моделей турбулентности. 2. Исследование эффективности модификаций моделей турбулентности, основанных на учёте поправок на кривизну линий тока и сжимаемость среды, на точность получаемого численного решения. 3. Проведение численного моделирования с использованием вихреразрешающих подходов. Установлено, что точность численного расчёта рассматриваемой задачи сильно зависит от модели турбулентности, используемой для замыкания уравнений Рейнольдса, при этом наилучшее согласование с экспериментальными данными демонстрирует низкорейнольдсовая модель турбулентности k-ω BSL. Использование поправки на кривизну линий тока не оказывает существенного влияния на получаемое решение, в то время как применение поправки для учёта сжимаемости среды приводит к снижению точности вычислений. Выяснено, что пакет ANSYS Fluent предоставляет ограниченный набор вихреразрешающих подходов для расчета сверхзвуковых течений. Показано, что результаты численного моделирования на основе этих вихреразрешающих подходов уступают по точности расчёту на основе уравнений Рейнольдса, полученному с использованием модели турбулентности k-ω BSL.

The present work is devoted to assessing the capabilities of modern mathematical modeling methods for supersonic flows provided by the commercial CFD software ANSYS Fluent, using the problem of turbulent separated supersonic flow over a backward-facing step with a large leeward face inclination angle of 45 degrees. The numerical simulation results were validated through comparative analysis with experimental data. The research sets the following goals: 1. Comparative analysis of two-dimensional numerical simulation results based on steady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations closed using a comprehensive set of turbulence models. 2. Study of the effectiveness of turbulence model modifications based on streamline curvature and compressibility corrections on numerical solution accuracy. 3. Numerical simulations using scale-resolving methods. It was established that the numerical accuracy of the considered problem strongly depends on the turbulence model, with the low-Re k-ω BSL turbulence model demonstrating the best agreement with experimental data. The application of streamline curvature correction has negligible impact on the obtained solution, while the compressibility correction results in decreased computational accuracy. It was determined that ANSYS Fluent provides a limited set of scale-resolving methods for supersonic flow simulations. The study showed that the numerical simulation results based on these scale-resolving methods yield lower accuracy compared to RANS calculations using the k-ω BSL turbulence model.