Верификация моделей для турбулентных тепловых потоков при обтекании прямоугольного выступа на пластине

Проведена верификация нескольких моделей для турбулентных тепловых потоков, включаемых в состав простых моделей с нулевым уравнением и сложных моделей (двухпараметрических диссипативных, явных алгебраических и дифференциальной), реализованных в пакете ANSYS Fluent с функцией UDF (User Defined Function) для расчета плоского отрывного турбулентного теплообмена около прямоугольного выступа на пластине. Выполнено сравнение результатов расчета с экспериментально полученными профилями скорости и температуры и их турбулентных характеристик. Численные исследования показали, что модели с нулевым уравнением в условиях постоянного турбулентного числа Прандтля не позволяют воспроизводить характер поля температуры в отрывной зоне, а сложные модели обеспечивают более точный прогноз не только для поля температуры, но и для распределения коэффициента теплоотдачи на поверхности с выступом.

Литература

[1] Shishov E.V. Turbulent heat and momentum transfer in boundary layers under strong pressure gradient conditions: Analysis of experimental data and numerical prediction. Experimental thermal and fluid science, 1991, vol. 4, iss. 4, pp. 389–398.

[2] Леонтьев А.И., Шишов Е.В., Герасимов А.В. Модель турбулентности «k–ε» для расчета гидродинамического и температурного полей градиентных пристенных течений. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1999, № 5–6, с. 5–19.

[3] Леонтьев А.И., Шишов Е.В., Захаров А.Ю. Моделирование переноса теплоты и импульса в отрывном течении за обратным уступом. Доклады академии наук, 1995, т. 341, № 3, с. 763–767.

[4] Rhee G.H., Sung H.J. A nonlinear low-Reynolds number heat transfer model for turbulent separated and reattaching flows. International journal of heat and mass transfer, 2000, vol. 43, iss. 8, pp. 1439–1448.

[5] Abe K., Suga K. Towards the development of a Reynolds-averaged algebraic turbulent scalar-flux model. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2001, vol. 22, iss. 1, pp. 19–29.

[6] Mazaheri K., Chaharlang K.K., Karimi M. A modified turbulent heat-flux model for predicting heat transfer in separating-reattaching flows and film cooling. Applied Thermal Engineering, 2016, vol. 110, pp. 1609–1623.

[7] Younis B.A., Weigand B., Spring S. An explicit algebraic model for turbulent heat transfer in wall-bounded flow with streamline curvature. ASME. Journal of Heat Transfer, 2007, vol. 129, iss. 4, pp. 425–433.

[8] Kim J., Moin P. Transport of passive scalars in a turbulent channel flow, In Turbulent Shear Flows 6, Springer, 1989, pp. 85–96, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-73948-4_9

[9] Debusschere B., Rutland C. Turbulent scalar transport mechanisms in plane channel and Couette flows. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, vol. 47, iss. 8–9, pp. 1771–1781.

[10] Abe K., Kondoh T., Nagano Y. A new turbulence model for predicting fluid flow and heat transfer in separating and reattaching flows–II. Thermal field calculations. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1995, vol. 38, iss. 8, pp. 1467–1481.

[11] Sommer T., So R., Zhang H. Near-Wall Variable Prandtl-Number Turbulence Model for Compressible Flows. AIAA Journal, 1993, vol. 31, no. 1, pp. 27–35.

[12] Brinckman K.W., Calhoon W.H., Dash S.M. Scalar fluctuation modeling for high-speed aeropropulsive flows. AIAA Journal, 2007, vol. 45, no. 5, pp. 1036–1046.

[13] Dietz C.F., Neumann S.O., Weigand B. A comparative study of the performance of explicit algebraic models for the turbulent heat flux. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications: An International Journal of Computation and Methodology, 2007, vol. 52, iss. 2, pp. 101–126.

[14] Weihing P., Younis B.A., Weigand B. Heat transfer enhancement in a ribbed channel: Development of turbulence closures. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, vol. 76, pp. 509–522.

[15] ANSYS. Fluent 17.2 Theory Guide. ANSYS Fluent Inc., Canonsburg, PA, 2016. URL: https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/17.2/en-us/help/flu_th/th-x1-20001.1.html (дата обращения 30 марта 2018).

[16] Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. Ленинград, Судостроение, 1989. 256 с.

[17] Афанасьев В.Н., Трифонов В.Л., Гетя С.И., Кон Дехай. Выступ в турбулентном пограничном слое. Машиностроение и компьютерные технологии, 2017, № 10, с. 13–35.

[18] Afanasiev V.N., Kong D.H. Rectangular ribs in turbulent boundary layer on the initially smooth surface. Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 891, art. no. 012140, doi: 10.1088/1742-6596/891/1/012140

[19] Launder B.E. Modelling convective heat transfer in complex turbulent flows. Engineering Turbulence Modelling and Experiments – Proc. Second Int. Symp. on Engineering Turbulence Modelling and Measurements, 31 May–2 June 1993, Florence, Italy, Elsevier Science, 1993, pp. 3–22.

[20] Lien F.S., Chen W.L., Leschziner M.A. Low Reynolds-number eddy-viscosity modeling based on non-linear stress-strain/vorticity relations. Engineering Turbulence Modeling and Experiments, 1996, vol. 3, pp. 91–100.

[21] Lien F.S., Leschziner M.A. Assessment of turbulent transport models including non-linear RNG eddy-viscosity formulation and second-moment closure. Computers & Fluids, 1994, vol. 23, no. 8, pp. 983–1004.

[22] Gibson M., Launder B. Ground effects on pressure fluctuations in the atmospheric boundary layer. Journal of Fluid Mechanics, 1978, vol. 86, no. 03, pp. 491–511.

[23] Launder B.E., Shima N. Second-moment closure for the near-wall sublayer development and application. AIAA Journal, 1989, vol. 27, no. 10, pp. 1319–1325.

[24] Batchelor G.K. Diffusion in a field of homogenous turbulence. Eulerian Analysis. Australian Journal of Scientific Research, 1949, vol. 2, pp. 437–450.