Численный алгоритм для решения задачи моделирования динамики крупномасштабного термика

Авторы

  • D. B. Zhakebayev Казахский национальный университет имени аль-Фараби
  • Ye. Moisseyeva Казахский национальный университет имени аль-Фараби
  • M. Y. Hrebtov Новосибирский государственный университет
  • N. V. Tsoy Казахский национальный университет имени аль-Фараби

DOI:

https://doi.org/10.26577/JMMCS-2018-4-564
        108 56

Ключевые слова:

крупномасштабный термик, решеточный метод Больцмана, D3Q27

Аннотация

В данной статье рассматривается динамика крупномасштабного термика под действием
силы плавучести, с учетом турбулентного перемешивания и адиабатического расширения.
Математическая модель строится на основе уравнений Навье – Стокса, уравнения
неразрывности и уравнения полной энергии. Численное моделирование осуществляется
на основе решения решеточных уравнений Больцмана в трехмерной постановке с
применением D3Q27 модели. Первое приближение решения уравнения Больцмана приводит
к гидродинамическому уравнению Навье – Стокса. Приведены результаты проверки
численного алгоритма на примере тестовой задачи течения Пуазейля, в рамках которой были
посчитаны ошибки нормы для различных размеров расчетной сетки. Был произведен ряд
численных экспериментов, при различных начальных условиях для температуры и плотности
внутри и вне крупномасштабного термика. Получена зависимость высоты подъема облака от
начальной температуры. В качестве результатов приведена динамика распространения поля
температуры для начального значения 1800◦ К в момент времени 5 с, 15 с и 35 с.

Библиографические ссылки

1. Speziale C.G., So R.M.C. Turbulence Modeling and Simulation Handbook of Fluid Dynamics (Florida: Press LLC, 2016):1-73
2. Garbaruk A.V., Strelec M.H., Travin A.K., Shur M.L "Sovremennye podhody k modelirovaniju turbulentnosti: ucheb. posobie" [Modern approaches for modeling of turbulencce](SPb, Izd-voPolitehn. un-ta, 2016),234 s.
3. Assylzhan Kizbayev, Dauren Zhakebayev, Ualikhan Abdibekov, Askar Khikmetov, "Mathematical modeling of electron irradiation of oil”, Engineering Computations(2018),pp.1998-2009.
4. Abdibekov S., Zhakebayev D., Karzhaubayev K., Abdibekov U., "Large eddy simulation the evolution of the cloud explosion of a launch vehicle", VYChISLITELNYE TEHNOLOGII (2018),7-17 p.
5. Zhumagulov B.T., Zhakebaev D.B., Abdibekov U.S., "Matematicheskoe modelirovanie vyrozhdenija jenergii turbulentnosti na osnove gibridnogo metoda"[Mathematical modeling of turbulence energy by gibrid model], Vestnik NIA RK № 3(2018), 9-15 p.
6. Ben-Nasra O., Hadjadj A., Chaudhurib A., Shadloo M.S. "Assessment of subgrid-scale modeling for large-eddy simulation of a spatially-evolving compressible turbulent boundary layer", Computers and Fluids (2017), 144-158 p.
7. Meneveau C., Katz J. Scale-invariance and turbulence models for large eddy simulation, Annu. Rev. Fluid Mech(2000), 1-32 p.
8. You D., Moin P. A dynamic global-coefficient subgrid-scale eddy-viscosity model for large-eddy simulation in complex geometries, // Physics of Fluids. – 2007. – Vol. 19, No. 6. –065110.
9. Oran E.S., Boris J.P. Numerical Simulation of reactive flow (Cambridge University Press, 2001), 550 p.
10. Grinstein F.F., Margolin L.G., Rider W.J. Implicit Large Eddy Simulation(Cambridge University Press, 2007), 577 p.
11. Spalart P.R. "Strategies for turbulence modeling and simulations" , Int. J. of Heat and Fluid Flow (2000), 252-263 p.
12. Onufriev A.T. "Teorija dvizhenija vihrevogo kol'ca pod dejstviem sily tjazhesti. Podyem oblaka atomnogo vzryva"[Theorem of movement of vortex ring by influence of boynce forces], Prikladnaja mehanika i tehnicheskaja fizika(1967), 3-15 p.
13. Kudrjashov N.A. "Vlijanie vjazkosti i teploprovodnosti na vsplyvanie termika pod dejstviem sil plavuchesti" [Humid viscosity and heat capacity of thermals](Moskva: Nauka, 1985), 135 p.
14. Dovgalyuk Y.A., Zatevakhin M.A., Stankova E.N. "Numerical Simulation of a Buoyant Thermal Using the Turbulence Model", Journal of applied Meteorology 33 (1994): 1118-1126
15. Sinjab, I. M., Robertson, J. A., Connon Smith, R. "The dissipation factor in contact binaries revisited," Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 244 (1990):619
16. Hazlehurst, J. "The dissipation factor in contact binaries," Astronomy and Astrophysics 145 (1985): 481-488
17. Brandenburg A., Hazlehurst J. "Evolution of highly buoyant thermals in a stratified layer," Astronomy and Astrophysics 370 (2001): 1092-1102
18. Zhaoli G., Chaguang Z., Baochang S. "Thermal lattice Boltzmann equation for low Mach number flow," Physical Review E 75 (2007): 036704
19. Woods L.C. "An Introduction to the Kinetic Theory of Gases and Magnetoplasmas," Oxford University Press (Oxford: 1993)
20. Kruger, T., Kusumaatmaja, H., Kuzmin, A., Shardt, O., Silva, G., Viggen, E. M. "The Lattice Boltzmann Method," Springer 215 (2017): 35
21. Chang S.C., yang Y.T., Chen C.K., Chen W.L. "Application of the lattice Boltzmann method combined with large-eddy simulations to turbulent convective heat transfer" International Journal of Heat and Mass Transfer (2013), 338-348 p.
22. Pradhan A., Yadav S. "Large Eddy Simulation using Lattice Boltzmann Method based on Sigma Model", Procedia Engineering (2015), 177-184 p.
23. Sagaut P. "Toward advanced subgrid models for Lattice-Boltzmann-based Large-eddy simulation: Theoretical formulations" Computers and Mathematics with Applications (2010), 2194-2199 p.
24. Grunau D., Chen S., Eggert K. "A lattice Boltzmann model for multiphase fluid flows", Phys. Fluids. (1993), 2557–2562 p.
25. Amirshaghaghi H., Rahimian M.H., Safari H., Krafczyk M. "Large Eddy Simulation of liquid sheet breakup using a two-phase lattice Boltzmann method", Computers and Fluids(2018), 93-107 p.
26. Chen C.K., Chang S.C., Sun S.Y. "Lattice Boltzmann method simulation of channel flow with square pillars inside by the field synergy principle", CMES-Comput. Model. Eng. Sci. (2007), 203–215.
27. Yang Y.T., Chang S.C., Chiou C.S. "Lattice Boltzmann method and large-eddy simulation for turbulent impinging jet cooling", International Journal of Heat and Mass Transfer(2013), 543-553.
28. Zhang J. "Lattice Boltzmann method for microfluidics: models and applications", Microfluid. Nanofluid(2011), 1–28.
29. Guo Z., Zhao T.S. "Lattice Boltzmann model for incompressible flows through porous media", Phys.Rev.E.(2002), 036304.
30. Kuwata Y., Suga K. "Large eddy simulations of pore-scale turbulent flows in porous media by the lattice Boltzmann method" International Journal of Heat and Mass Transfer(2015), 143-157.
31. Chang S.C., Hsu Y.S., Chen C.L. "Lattice Boltzmann simulation of fluid flows with fractal geometry: an unknown-index algorithm", J.Chin.Soc.Mech.Eng.(2011), 523–531.

Загрузки

Как цитировать

Zhakebayev, D. B., Moisseyeva, Y., Hrebtov, M. Y., & Tsoy, N. V. (2019). Численный алгоритм для решения задачи моделирования динамики крупномасштабного термика. Вестник КазНУ. Серия математика, механика, информатика, 100(4), 88–102. https://doi.org/10.26577/JMMCS-2018-4-564