Аннотация:
Исследуется применимость различных граничных условий при вычислительном моделировании вихревой трубы Ранка-Хилша. Сделан обзор состояния мировых исследований по вопросу влияния геометрии и различных термодинамических параметров на эффективность работы трубы. Приводится обоснование возможности введения дополнительных расчетных областей при отодвигании границ для исследования влияния граничных условий при моделировании задач газовой динамики. Для моделирования динамики газа в вихревой трубе записана математическая модель, которая включает в себя систему уравнений Навье-Стокса, описывающую динамику сжимаемого вязкого флюида, замыкаемая уравнением состояния идеального газа. Рассматриваются существующие методы расчета турбулентных течений. Описана применимость различных полуэмпирических моделей турбулентности для моделирования вихревой трубы. Аргументирована возможность применения выбранной $k - \varepsilon$ модели и приведено ее описание. Рассмотрены характерные для модели вихревой трубы граничные условия, также показаны граничные условия наиболее сочетающиеся при моделировании задач газовой динамики. Представлена сетка, учитывающая области образующиеся при удалении границ. Решение проводится по алгоритму sonicFoam в пакете OpenFOAM. Использованы утилиты постпроцессора при подготовке модели к вычислениям на высокопроизводительном кластере и утилиты для осреднения полученных физических величин. Приведены результаты моделирования для разных комбинаций граничных условий и моделей с удаленными границами. Проведено сравнение полученных результатов. Показано, что геометрические размеры оказывают существенное влияние на работу вихревой трубы. Правильный выбор граничных условий позволяет получить значения физических величин, наиболее близких к известным экспериментальным. Отодвигание границ от непосредственных выходов предоставляет возможность точнее оценить возникающие эффекты вблизи реальных границ вихревой трубы, особенно влияющие на величину эффекта Ранка-Хилша.
Список литературы