ПРИМЕНЕНИЕ ПАКЕТА OPENFOAM ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ НЕУДОБООБТЕКАЕМЫХ ТЕЛ

© А.Ю.Назаров, Р.Ш.Незаметдинов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Авиация и воздухоплавание"
2013 г.

Получение адекватных аэродинамических характеристик тел различной формы является весьма актуальной и трудоемкой задачей. При лабораторных исследованиях в аэродинамической трубе необходимо провести большое число экспериментов на модели тела, а полученные результаты нуждаются в пересчете с модели на оригинал. Кроме того, изготовление самой модели является сложным, требующим особой точности процессом. В настоящее время все больше внимания уделяется программному обеспечению для численного моделирования динамики сплошных сред (CFD — Computational Fluid Dynamics). Данное программное обеспечение может оказать существенную помощь при изучении аэродинамики тел различной формы. Однако полученные с помощью методов вычислительной гидродинамики результаты сильно зависят от выбора параметров моделей течения и граничных условий и численных схем.

Одним из наиболее известных инструментов, позволяющих реализовывать методы вычислительной гидродинамики, на сегодняшний день является пакет прикладных программ OpenFOAM. OpenFOAM — свободно распространяемая открытая интегрируемая платформа вычислительной гидродинамики для операций с полями (скалярными, векторными и тензорными). В состав пакета OpenFOAM входит набор утилит, солверов (решателей) и средств отображения результатов. Одной из отличительных особенностей данного пакета является поддержка параллельных вычислений.

Обтекание тел неудобообтекаемой формы характеризуется наличием обширных областей срыва с образованием зон с интенсивной турбулентностью. В настоящее время разработано множество моделей турбулентности, позволяющих производить расчеты с достаточной степенью точности, но универсальной модели не создано, поэтому конкретные модели применимы только для определенного круга задач. Так многими авторами на основе многочисленных исследований было выявлено, что применительно к задачам внешней аэродинамики наилучшим образом себя зарекомендовали две модели турбулентности: модель Спаларта и Аллмараса (SA-модель) и модель Ментера (k–ω Shear Stress Transport или SST модель). Различают несколько подходов к моделированию турбулентных течений. Особенно распространенным является метод, базирующийся на осредненных по Рейнольдсу уравнениях Навье-Стокса (Reynolds Averaged Navier-Stokes — RANS), метод моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation — LES) и метод прямого численного моделирования (Direct Numerical Simulation — DNS). Однако особое внимание уделяется гибридному методу моделирования отсоединенных вихрей (Detached-Eddy Simulation — DES). Метод DES был предложен в качестве альтернативы RANS- и LES-методам при расчете пристеночных течений с обширными отрывными зонами, для которых RANS-модели не способны обеспечить приемлемую точность, а LES-методы требует чрезмерно больших вычислительных ресурсов. Анализ недостатков оригинальной версии DES-метода привел к разработке двух его модификаций — DDES (Delayed DES — задержанный DES) и IDDES (DDES with Improved wall-modeling capabilities) — метод DDES с улучшенным пристеночным LES-моделированием.

Данный пакет при выбранных параметрах был верифицирован авторами на задачах обтекания шара при различных числах Рейнольдса и обтекания параллелепипедов различного удлинения при числе Рейнольдса Re=107. Результаты расчетов показали хорошее согласование с экспериментальными данными не только количественное, но и качественное. Таким образом, можно говорить о принципиальной возможности применения пакета openFOAM для исследования аэродинамики неудобообтекаемых тел.