Ускорение решения задач сопряженного теплообмена на неструктурированных сетках

Авторы

  • К.Н. Волков

Ключевые слова:

сопряженный теплообмен
газовая динамика
метод конечных элементов
метод конечных объемов
неструктурированная сетка

Аннотация

Рассматриваются вопросы, связанные с исследованием сопряженного теплообмена при движении вязкой сжимаемой жидкости в полости, ограниченной неподвижной и подвижной стенками, в условиях вынужденной конвекции. Обсуждаются дискретизация уравнений, описывающих распределение температуры внутри твердого тела и движение жидкости, реализация упрощенного подхода к расчету температурного поля в жидкости, основанного на интегрировании уравнения изменения температуры при замороженном поле скорости, а также автоматическое построение неструктурированной сетки в области, занятой жидкостью, и другие детали численной реализации. Для решения системы разностных уравнений, полученной в результате конечно-объемной дискретизации осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса, используются многосеточный метод и обобщенный метод взвешенных невязок. Возможности подхода демонстрируются на примере решения ряда модельных задач. Проводится сравнение ускорений вычислительного алгоритма, полученных при использовании полного и упрощенного подходов к решению задачи и различных методов решения системы разностных уравнений.


Загрузки

Опубликован

2020-11-10

Выпуск

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Автор

К.Н. Волков

Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д.Ф. Устинова,
физико-механический факультет
1-я Красноармейская ул., 1, 190005, Санкт-Петербург


Библиографические ссылки

  1. Bohn D.. Kruger UKusterer K. Conjugate lieat, transfer: an advanced computational method for the cooling design of modern gas turbine blades and vanes // Heat Transfer in Gas Turbine. Southampton: WIT Press. 2001. 58-108.
  2. Rigby D.L., Lepicovsky J. Conjugate heat transfer analysis of internally cooled configurations // ASME Paper. 2001. N GT2001-0405.
  3. Okita Y., Yamawaki S. Conjugate heat transfer analysis of turbine rotor-stator systems // ASME Paper. 2002. N GT2002-30615.
  4. Bohn D., Ren J., Kusterer K. Conjugate heat transfer analysis for film cooling configurations with different hole geometries // ASME Paper. 2003. N GT2003-38369.
  5. Kusterer K., Bohn D.. Sugimoto T., Tanaka R. Conjugate calculations for a film-cooled blade under different operating conditions // ASME Paper. 2004. N GT2004-53719.
  6. Lewis L.V., Provins J.I. A non-coupled C’FD-FE procedure to evaluate windage and heat transfer in rotor-stator cavities // ASME Paper. 2004. N GT2004-53246.
  7. Saunders K., Alizadeh S., Lewis L.V., Provins J. The use of CFD to generate heat transfer boundary conditions for a rotor-stator cavity in a compressor drum thermal model // ASME Paper. 2007. N GT2007-28333.
  8. Li H., Kassab A.J. A Coupled FVM/BEM approach to conjugate heat transfer in turbine blades // AIAA Paper. 1994. N 94-1981.
  9. Verdicchio J.A., Chew JAY., Hills N.J. Coupled fluid/solid heat transfer computation for turbine discs // ASME Paper. 2001. N GT2001-0123.
  10. Mirzamoghadam A.V., Xiao Z. Flow and heat transfer in an industrial rotor-stator rim sealing cavity // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2002. 124, N 1. 125-132.
  11. Illingworth J., Hills N., Barnes C. 3D fluid-solid heat transfer coupling of an aero-engine preswirl system // ASME Paper. 2005. N GT2005-68939.
  12. Волков K.H. Решение задач сопряженного теплообмена и передача тепловых нагрузок между жидкостью и твердым телом // Вычислительные методы и программирование. 2007. 8, № 2. 116-125.
  13. Dixon J.A., Verdicchio J.A., Benito D., Karl A., Tham K.M. Recent developments in gas turbine component temperature prediction methods, using computational fluid dynamics and optimization tools, in conjunction with more conventional finite element analysis techniques // Power and Energy. 2004. 218, N 4. 241-255.
  14. Sun Z., Chew J.W., Hills N.J., Volkov K.N., Barnes C.J. Efficient FEA/CFD thermal coupling for engineering applications // ASME Paper. 2008. N GT2008-50638.
  15. Zienkiewicz O.C. The finite element method in engineering science. London: McGraw-Hill Education, 1977.
  16. Волков К.Н. Применение метода контрольного объема для решения задач механики жидкости и газа на неструктурированных сетках // Вычислительные методы и программирование. 2005. 6, № 1. 43-60.
  17. Волков К.Н. Пристеночное моделирование в расчетах турбулентных течений на неструктурированных сетках // Теплофизика и аэромеханика. 2007. 14, X 1. 113-129.
  18. Saad Y. Iterative methods for sparse linear systems. Philadelphia: SIAM, 2003.
  19. Barth T.J., Linton S.W. An unstructured mesli Newton solver for compressible fluid flow and its parallel implementation // AIAA Paper. 1995. N 95-0221.
  20. Teekaram A.J. H.. Forth C.J. P., Jones T.V. Film cooling in the presence of mainstream pressure gradients // ASME Journal of Turbomachinery. 1991. 113, N 3. 484-492.
  21. Волков К.Н. Влияние градиента давления и локализованного вдува на турбулентный теплообмен плоской пластины // Теплофизика высоких температур. 2006. 44, № 3. 24-32.
  22. Barnes C. Integration test plan for the SC03 plug-in SC89 // Rolls-Royce Technical Design Report. 2004. N DNS99645.