DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v19r447

Визуализация результатов численного моделирования течений с частицами, полученных при помощи лагранжевых подходов к описанию дисперсной фазы

Авторы

  • К.Н. Волков
  • В.Н. Емельянов
  • И.В. Тетерина

Ключевые слова:

вычислительная газовая динамика
научная визуализация
двухфазное течение
канал
вихрь
дисперсия
кластеризация

Аннотация

Рассматриваются вопросы, связанные с визуализацией течений, содержащих твердые частицы или жидкие капли, в различных практических приложениях. Приводятся примеры визуального представления решений ряда задач двухфазной газовой динамики, связанных с расчетами течений в каналах и вихревых структурах и полученных при помощи лагранжевых подходов. Помимо традиционных подходов к визуализации вихревых течений с частицами и каплями, основанных на построении линий уровня различных характеристик потока, фазовых траекторий и распределений концентрации дискретных включений, применяются сечения Пуанкаре и метод локальных показателей Ляпунова, а также различные критерии идентификации вихревых образований в поле течения. Обсуждается дисперсия частиц в турбулентном потоке и формирование областей с повышенным содержанием дисперсной фазы. В логическом отношении лагранжевый подход к описанию двухфазных течений является простым, но в вычислительном отношении достаточно трудоемким, поскольку для имитации движения примеси требуется проведение большого числа траекторных расчетов пробных частиц. Дополнительные вычислительные трудности связаны с необходимостью локализации частиц в контрольных объемах неструктурированной сетки и восполнением параметров несущего потока.

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2018-12-24

Выпуск

Том 19 (2018): Выпуск 4.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

К.Н. Волков

Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д.Ф. Устинова
1-я Красноармейская ул., 1, 190005, Санкт-Петербург
• ведущий научный сотрудник

В.Н. Емельянов

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

И.В. Тетерина

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

Библиографические ссылки

  1. K. N. Volkov and V. N. Emel’yanov, Flows of Gas with Particles (Fizmatlit, Moscow, 2008) [in Russian].
  2. K. N. Volkov, V. N. Emel’yanov, I. E. Kapranov, and I. V. Teterina, “Lagrangian Coherent Vortex Structures and Their Numerical Visualization,” Vychisl. Metody Programm. 19, 293-313 (2018).
  3. J. J. van Wijk, “Flow Visualization with Surface Particles,” IEEE Comput. Graph. Appl. 13 (4), 18-24 (1993).
  4. H. W. Shen, G. S. Li, and U. D. Bordoloi, “Interactive Visualization of Three-Dimensional Vector Fields with Flexible Appearance Control,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph. 10 (4), 434-445 (2004).
  5. F. Kuester, R. Bruckschen, B. Hamann, and K. I. Joy, “Visualization of Particle Traces in Virtual Environments,” in Proc. ACM Symp. on Virtual Reality Software and Technology, Baniff, Canada, November 15-17, 2001 (ACM Press, New York, 2001), pp. 151-157.
  6. H. J854nicke and G. Scheuermann, “Measuring Complexity in Lagrangian and Eulerian Flow Descriptions,” Comput. Graph. Forum 29 (6), 1783-1794 (2010).
  7. G. S. Li, X. Tricoche, and C. Hansen, “Physically-based Dye Advection for Flow Visualization,” Comput. Graph. Forum 27 (3), 727-734 (2008).
  8. R. Fuchs, J. Kemmler, B. Schindler, et al., “Toward a Lagrangian Vector Field Topology,” Comput. Graph. Forum 29 (3), 1163-1172 (2010).
  9. X. Yuan and B. Chen, “Illustrating Surfaces in Volume,” in Proc. 6th Joint IEEE/EG Symp. on Visualization, Konstanz, Germany, May 19-21, 2004 (Eurographics Association, Aire-la-Ville, 2004), pp. 9-16.
  10. K. Bürger, P. Kondratieva, J. Krüger, and R. Westermann, “Importance-Driven Particle Techniques for Flow Visualization,” in Proc. IEEE Pacific Visualization Symposium, Kyto, Japan, March 4-7, 2008 (IEEE Press, New York, 2008), pp. 71-78.
  11. K. Liang, P. Monger, and H. Couchman, “Interactive Parallel Visualization of Large Particle Datasets,” Parallel Comput. 31 (2), 243-260 (2005).
  12. C. Jones and K.-L. Ma, “Visualizing Flow Trajectories Using Locality-based Rendering and Warped Curve Plots,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph. 16 (6), 1587-1594 (2010).
  13. F. Sadlo, S. Bachthaler, C. Dachsbacher, and D. Weiskopf, “Space-Time Flow Visualization of Dynamics in 2D Lagrangian Coherent Structures,” in Computer Vision, Imaging and Computer Graphics. Theory and Application (Springer, Berlin, 2013), pp. 145-159.
  14. J. Kruger, P. Kipfer, P. Kondratieva, and P. Westermann, “A Particle System for Interactive Visualization of 3D Flows,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph. 11 (6), 744-756 (2005).
  15. M. Schirski, T. Kuhlen, M. Hopp, et al., “Efficient Visualization of Large Amounts of Particle Trajectories in Virtual Environments Using Virtual Tubelets,” in Proc. ACM SIGGRAPH Int. Conf. on Virtual Reality Continuum and Its Applications in Industry, Singapore, June 16-18, 2004 (ACM Press, New York, 2004), pp. 141-147.
  16. D. Merhof, M. Sonntag, F. Enders, et al., “Hybrid Visualization for White Matter Tracts Using Triangle Strips and Point Sprites,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph. 12 (5), 1181-1188 (2006).
  17. W. D. Bachalo, “Experimental Methods in Multiphase Flows,” Int. J. Multiphase Flow 20 (Suppl. 1), 261-295 (1994).
  18. M. Widhalm, A. Ronzheimer, and J. Meyer, “Lagrangian Particle Tracking on Large Unstructured Three-Dimensional Meshes,” AIAA Paper 2008-472 (2008).
    doi 10.2514/6.2008-472
  19. G. Lu, V. Ly, X. Wang, et al., “A Tool for Visualizing Large-Scale Interactions between Turbulence and Particles in 3D Space through 2D Trajectory Visualization,” in Lecture Notes in Computer Science (Springer, Heidelberg, 2013), Vol. 8034, pp. 48-57.
  20. F. Toschi and E. Bodenschatz, “Lagrangian Properties of Particles in Turbulence,” Annu. Rev. Fluid Mech. 41, 375-404 (2009).
  21. J. Bec, L. Biferale, M. Cencini, et al., “Heavy Particle Concentration in Turbulence at Dissipative and Inertial Scales,” Phys. Rev. Lett. 98 (2007).
    doi 10.1103/PhysRevLett.98.084502
  22. S. W. Coleman and J. C. Vassilicos, “A Unified Sweep-Stick Mechanism to Explain Particle Clustering in Two- and Three-Dimensional Homogeneous, Isotropic Turbulence,” Phys. Fluids 21 (2009)
    doi 10.1063/1.3257638
  23. T. Günther and H. Theisel, “Vortex Cores of Inertial Particles,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph. 20 (12), 2535-2544 (2014).
  24. Y. Chen, J. D. Cohen, and J. Krolik, “Similarity-Guided Streamline Placement with Error Evaluation,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph. 13 (6), 1448-1455 (2007).
  25. L. Li, H.-H. Hsieh, and H.-W. Shen, “Illustrative Streamline Placement and Visualization,” in Proc. IEEE Pacific Visualization Symposium, Kyoto, Japan, March 5-7, 2008 (IEEE Press, New York, 2008), pp. 79-86.
  26. A. I. Kartushinsky, Yu. A. Rudi, S. V. Tisler, et al., “Application of Particle Tracking Velocimetry for Studying the Dispersion of Particles in a Turbulent Gas Flow,” Teplofiz. Vys. Temp. 50 (3), 408-417 (2012) [High Temp. 50 (3), 381-390 (2012)].
  27. L. I. Zaichik and V. M. Alipchenkov, {Statistical Models of Particle Motion in Turbulent Fluid} (Fizmatlit, Moscow, 2007) [in Russian].
  28. H. Homann and J. Bec, “Concentrations of Inertial Particles in the Turbulent Wake of an Immobile Sphere,” Phys. Fluids 27 (2015).
    doi 10.1063/1.4919723
  29. K. N. Volkov, “Finite Difference Schemes for Integrating the Equations for Sample Particle Motion in a Fluid or Gas Flow,” Vychisl. Metody Programm. 5, 1-17 (2004).
  30. V. N. Emelyanov, I. V. Teterina, K. N. Volkov, and A. U. Garkushev, “Pressure Oscillations and Instability of Working Processes in the Combustion Chambers of Solid Rocket Motors,” Acta Astronaut. 135, 161-171 (2017).
  31. K. N. Volkov, “Large Eddy Simulation in a Fully Developed Turbulent Flow in a Channel and Comparison of Subgrid Eddy Viscosity Models,” Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 47 (3), 31-42 (2006) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 47 (3), 330-339 (2006)].