Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ВОСХОДЯЩИХ ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ ВОЗДУХА
Обухов А. Г., Баранникова Д. Д.,
§8. Программно-вычислительный комплекс численного решения полной системы уравнений Навье-Стокса
Для численного исследования трехмерных нестационарных температурных закрученных течений вязкого сжимаемого теплопроводного газа различные численные пакеты (такие, как ANSYS, OpenFOAM, FLUENT, CFX) не были использованы по целому ряду причин.
Во-первых, почти у всех перечисленных пакетов достаточно сложная архитектура, и для того чтобы в них разобраться нужно иметь достаточно высокую квалификацию программиста.
Во-вторых, многие возможности этих пакетов или вообще не документированы, или документированы недостаточно, и о них можно узнать либо непосредственно из кода, либо из приведенных примеров.
В-третьих, и это самое главное, в документации отсутствует информация о численно решаемых уравнениях и положенных в основу моделях. Хотя во всех описаниях говорится о возможности учитывать любые значения вязкости, теплопроводности, решать задачи движения сжимаемых и несжимаемых жидкостей и газов, учитывать разные термодинамические модели и даже разные модели турбулентности, используя так называемый коэффициент «турбулентной вязкости» и тому подобное.
Немаловажным обстоятельством является и факт высокой стоимости лицензии на использование коммерческих пакетов.
Поэтому для численного решения полной системы уравнений Навье-Стокса был разработан программно-вычислительный комплекс, в основе которого лежат пять программ, получившие свидетельства о государственной регистрации.
Программно-вычислительный комплекс состоит из четырех основных блоков (рис. 2.4):
– блока входных данных;
– расчетного блока;
– блока построений линий тока течений;
– блока хранения расчетной информации.
Исходные данные – шаги по пространству и времени, масштабные значения используемых величин, начальные условия, коэффициенты вязкости и теплопроводности, используемые в расчетах константы – размещаются пользователем в блоке входных данных перед началом работы программно-вычислительного комплекса. При этом предусмотрена возможность выбора необходимых значений входных параметров из нескольких возможных.
Рис. 2.4. Блок-схема программно-вычислительного комплекса
Исходные входные данные поступают основной расчетный блок, в котором с помощью явной разностной схемы с учетом начальных и граничных условий численно строятся решения полной системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса, определяются термодинамические и скоростные характеристики температурных закрученных потоков во всех узлах расчетной области в различные последующие моменты времени. Работу основного расчетного блока обеспечивают программы, написанные авторами учебного пособия.
Первая программа называется «Скорости ТВЗП» позволяет, задав начальные входные параметры (масштабные значения расстояния, скорости, параметры Кориолиса, плотности, температуры), рассчитать в узлах трехмерной прямоугольной сетки значения трех компонент вектора скорости течения газа в любой момент времени, построить мгновенные линии тока.
Вторая программа комплекса «Радиальная и окружная скорости ТВЗП» позволяет по известным составляющим скорости в прямоугольной системе координат рассчитать составляющие скорости в цилиндрической системе координат в узлах сетки расчетной области.
С помощью третьей программы комплекса «Термодинамика ТВЗП» можно определять термодинамические характеристики нестационарных течений газа в температурном закрученном восходящем течении.
Четвертая программа комплекса «Энергия ТВЗП» позволяет с помощью явной разностной схемы рассчитать компоненты скорости, температуру, кинетическую и внутреннюю энергию теплового закрученного восходящего потока.
Перечисленные выше программы предусматривают как раздельный вывод получаемой в расчетном блоке информации по скоростным и термодинамическим характеристикам температурных закрученных течений, так и общую передачу всех расчетных данных в блок хранения информации.
Результаты расчета термодинамических и скоростных характеристик температурных закрученных течений по желанию пользователя могут быть визуализированы с помощью специально разработанной программы «Визуализация ТВЗП», которая позволяет строить графики газодинамических характеристик температурного восходящего закрученного потока газа как функций двух пространственных переменных при фиксированных значениях высоты. К числу таких характеристик относятся плотность, температура, давление, компоненты скорости. В этой программе, созданной авторами, осуществляется выбор конкретного объекта визуализации, выбор области визуализации, форматирования графической информации и т. д.
Все программы комплекса прошли государственную регистрацию. На рис. 2.5–2.10 приведены интерфейсы программ, составляющих основу программно-вычислительного комплекса.
Рис. 2.5. Интерфейс программно-вычислительного комплекса
Рис. 2.6. Интерфейс программы «Скорости ТВЗП»
Рис. 2.7. Интерфейс программы «Радиальная и окружная скорости ТВЗП»
Рис. 2.8. Интерфейс программы «Термодинамика ТВЗП»
Рис. 2.9. Интерфейс программы «Энергия ТВЗП»
Рис. 2.10. Интерфейс программы «Визуализация ТВЗП»
Таким образом, рассмотренная схема работы различных блоков и программ позволяет сделать вывод о том, что, созданный авторами набор логически связанных между собой программ составляет единый программно-вычислительный комплекс или отлаженный инструмент, позволяющий успешно решать задачи, связанные с моделированием сложных нестационарных трехмерных температурных закрученных течений сжимаемого вязкого теплопроводного газа.