WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Моделирование взаимодействия тел и гидрофизических полей морской среды методом крупных вихрей

Автореферат докторской диссертации

 

На правах рукописи

Ткаченко Игорь Вячеславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛ И ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ МОРСКОЙ СРЕДЫ МЕТОДОМ КРУПНЫХ ВИХРЕЙ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2012

i


Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет».


Официальные оппоненты:


Руховец Леонид Айзикович, доктор физико-математических наук, профессор, СПб ЭМИ РАН, директор

Исаев Сергей Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, СПбГУГА, профессор

Рыжов Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор, СПбГМТУ, профессор



Ведущая организация:


Филиал ВУНЦ ВМФ ВМА Военно-морской инженерный институт


Защита состоится «22» мая 2012 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.02 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» по адресу: 190008, ул. Лоцманская, 3.

С  диссертацией  можно  ознакомится  в   библиотеке   ФГБОУ  ВПО   «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет».


Автореферат разослан «


2012 г.



Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент


С.Г. Кадыров


2


Общая характеристика работы

Актуальность работы. Совершенствование образцов морской техники и средств освоения океана требует создания новых подходов в решении комплексной проблемы - взаимодействия технического объекта с окружающей морской средой. Возникает необходимость решения сопряженной задачи и проведения фундаментальных и прикладных исследований в области геофизики, океанологии и кораблестроения.

Основной особенностью морской среды является пространственно-временная неоднородность ее гидрофизических полей. Для нее характерно наличие областей, в которых наблюдается резкое изменение поля плотности по глубине. Стратификация приводит к возникновению внутренних волн (ВВ), которые вступают во взаимодействие с другими физическими явлениями в океане.

Для задач корабельной гидродинамики наибольший интерес представляют процессы, обусловленные силой тяжести и сдвиговой неустойчивостью: волновые и турбулентные движения, которые влияют на интегральные и локальные гидродинамические характеристики.

Математические методы моделирования взаимодействия морских объектов и морской среды в большинстве случаев носят частный или упрощенный характер. Они основываются на потенциальных моделях течений, либо на моделях вязкой жидкости, недостаточно полно учитывающих влияния друг на друга пикноклина и свободной поверхности. Имеются определенные трудности в использовании методов лабораторного исследования. Поэтому создание обобщенной математической модели взаимодействия тела и гидрофизических полей морской среды, описывающей внутренние и поверхностные волны, турбулентные процессы в стратифицированной среде, дающей возможность получить интегральные, локальные и спектральные гидродинамические характеристики, является актуальной задачей. Полученные на ее основе решения имеют как важное практическое значение (повышение эффективности и безопасности эксплуатации корабельной техники, в первую очередь подводных устройств, освоение шельфовой зоны арктических морей России и просторов Мирового океана), так и фундаментальное, связанное с изучением физических процессов, протекающих в океане.

Целями работы являются:

  1. Разработка обобщенной математической модели взаимодействия тел и гидрофизических полей морской среды, описывающей движение вязкой стратифицированной жидкости с учетом границы воздух - морская среда, на основе метода крупных вихрей (Large Eddy Simulation - LES).
  2. Создание методов решения задач гидродинамики стратифицированных сред, ограниченных свободной поверхностью,
  3. Адаптация и разработка подсеточных моделей турбулентности, описывающих неоднородные течения жидкости.

3


•   Изучение и оценка взаимовлияния гидродинамических процессов мор

ской среды и гидродинамических полей тел на основе теоретических и

численных исследований.

Методы исследования. Решения поставленных задач базируются на методах математической физики, а именно на решении осредненных по пространству аналогах уравнений Навье-Стокса (метод крупных вихрей), и численных методах, в основе которых лежат метод Петрова-Галеркина и метод конечных элементов, которые позволяют получить решения сходящиеся к точным. В тоже время, выбранная стратегия математического моделирования дает возможность исследовать потоки стратифицированной жидкости в наиболее общей постановке задачи - рассматривать реальные профили стратификации, учитывать ветро-волновое взаимодействие, взаимодействие поверхностных и внутренних волн, описывать процессы обрушения волн, генерации и коллапс турбулентности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Разработана обобщенная математическая модель взаимодействия тел и гидрофизических полей морской среды, описывающая движение вязкой стратифицированной жидкости с учетом границы раздела (интерфейса) воздух - морская среда, на основе метода крупных вихрей.
  2. Создана новая подсеточная модель турбулентности для описания стратифицированных течений жидкости на основе анализа волновой и турбулентной составляющих энергетического спектра (спектра Ламли)
  3. Предложена модифицированная подсеточная смешанная динамическая модель турбулентности с регуляризирующей процедурой на основе разложения в ряд Тейлора.
  4. Разработан новый конечно-элементный метод решения уравнений гидродинамики тела и динамики морской среды.
  5. Разработан программный комплекс FlowFES для решения задач гидродинамики корабля и динамики океана на высокопроизводительных компьютерных системах.
  6. Произведена верификация моделей турбулентности и показано, что пространственно-временную неоднородность лучше описывают модели турбулентности на основе метода крупных вихрей.
  7. Показано, что при образовании внутренних волн в океане в результате взаимодействия приливного течения с подводной возвышенностью аномалии на свободной поверхности обусловлены выносом к поверхности гребнями ВВ более плотных водных масс.
  8. Показано, что гравитационные течения, возникающие на склонах шельфа, носят сложный пространственно-временной характер, тип которого, может быть определен путем анализа характерных масштабов течения. На свале глубин доминирует турбулентный характер движения. На подъеме - волновой.

4


  1. В рамках модели вязкой жидкости получено, что поверхностные волны (волны Стокса) могут является источником возникновения ВВ. В результате их взаимодействия поверхностные волны выглаживаются. При этом более высокие моды появляются в спектрах внутренних и поверхностных волн.
  2. Показано, что ветро-волновое взаимодействие может приводить к образованию внутренних волн при небольших глубинах залегания пикнокли-на (20-40 м). При этом на свободной поверхности спектр носит волновой характер, в то время как на уровне пикноклина спектр имеет волновой и турбулентный характер
  3. Получено, что стратификация оказывает влияние на сопротивление тел и приводит к появлению дополнительной моды в частотном спектре коэффициента сопротивления.
  4. Выявлено, что характерные частоты природных внутренних волн существенно меньше (на порядок) частот корабельных внутренних волн. Анализ спектров гидрофизических полей позволяет установить природу источника образования ВВ.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

  1. Предложена обобщенная математическая модель взаимодействия тел и гидрофизических полей морской среды.
  2. Разработаны новые подсеточные модели турбулентности для описания стратифицированных течений жидкости.
  3. Разработан программный комплекс для выполнения распределенных вычислений в области гидродинамики корабля и океана, используемый в научных организациях, в заведениях высшего профессионального образования.
  4. Получены оценки влияния гидрофизических полей морской среды на локальные и спектральные гидродинамические характеристики тел.
  5. Получены характерные значения безразмерных частот натурных и корабельных ВВ. Показано, что модальная структура внутренних корабельных волн существенно отличается от структуры натурных ВВ.

Достоверность результатов, полученных в результате численных расчетов, оценивается сопоставлением с известными данными экспериментальных исследований, расчетами других авторов и натурными наблюдениями.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и получили положительную оценку: на отечественных и международных научных семинарах СПбГМТУ (2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), ИПФ РАН (2009, 2010 гг.), ИСП РАН (2011 г.), СПб ФИО РАН (2009, 2011 гг.), университета г. Ростока, ФРГ (2005, 2006, 2011 гг.), ЦНИИ Кораблестроения, КНР (2011 г.); всероссийских и международных конференциях «IX Всероссийский конгресс по теоретической и прикладной механике» (2006 г.), «НЕВА-2007», «Потоки и структуры в жидкостях» (2007, 2009 гг.), «Прикладные технологии гидроаку-

5


стики и гидрофизики» (2008, 2010 гг.), «Крыловские чтения» (2009 г.), «МО-РИНТЕХ» (2009 г.), «Облачные вычисления: образование, научные исследования, разработки» (2010, 2011 гг.), "ERCOFTAC Int. Symp. ЕММ6", Италия (2005 г.), "Turbulence and shear flow phenomena", США (2005 г.), "EUROMECH-469", ФРГ (2005 г.), "Fluid Mixing 8", Великобритания (2006 г.), "SubSeaTECH 2007", Россия (2007 г.), "SuperFast-2008", Россия (2008 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 61 работе. Из них 1 монография и 41 статья, 1 доклад, 16 тезисов докладов. 4 работы выполнено в личном авторстве, доля в остальных от 25 до 90%. В рецензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 15.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 253 наименований. Работа изложена на 316 стр., содержит 8 таблиц и 100 рисунков.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

  1. Обобщенная математическая модель взаимодействия тел и гидрофизических полей морской среды, описывающая движение вязкой стратифицированной жидкости с учетом границы (интерфейса) воздух - морская среда, на основе метода крупных вихрей.
  2. Новая подсеточная модель турбулентности для описания стратифицированных течений жидкости, полученная на основе анализа волновой и турбулентной составляющих частей спектра (спектра Ламли).
  3. Модифицированная подсеточная смешанная динамическая модель турбулентности с регуляризирующей процедурой на основе разложения в ряд Тейлора.
  4. Новый конечно-элементный метод решения уравнений гидродинамики тела и динамики морской среды.
  5. Программный комплекс для решения задач гидродинамики корабля и динамики океана на высокопроизводительных компьютерных системах.
  6. Результаты исследования формирования природных внутренних волн, вызванных приливными течениями над подводными возвышенностями, гравитационными течениями на шельфе, поверхностными волнами и вет-ро-волновым взаимодействием.
  7. Результаты изучения взаимодействия тел и гидрофизических полей морской среды.
  8. Результаты изучения основных отличий в структуре внутренних природных и корабельных волн.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель исследования и намечены решаемые задачи. Отмечено, что исследованию вли-

6


яния ветровых волн на динамику и гидродинамику тела посвящено большое количество публикаций, в том числе труды А.Н. Крылова, В.В. Семенова-Тян-Шанского, С.Н. Благовещенского, Дж. Лайтхилла, А.Н. Холодилина, И.К. Бо-родая, Ю.А. Нецветаева, Я.И. Войткунского, А.Н. Шебалова, В.В. Луговского, М.П. Тулина, Р.В. Борисова. Причины появления натурных поверхностных волн и методы их описания рассмотрены в работах отечественных и зарубежных авторов Н.Е. Кочина, Л.Н. Сретинского, А.С. Монина, Е.Н. Пелиновского, А. Слюняева, Д.Ю. Чаликова, О.М. Филлипса, А.Ю. Бенилова, С.С. Зилитинке-вича, С.А. Торпа, М.М. Заславского.

Подчеркивается, что для более полного исследования взаимодействия тел и морской среды необходимо учитывать пространственно-временную неоднородность гидрофизических полей. Упоминается, что теоретический и экспериментальный анализы возбуждения внутренних волн (ВВ) различными источниками, генерации ими турбулентности были выполнены Дж. Стоксом, А. Лове, О.М. Филипсом, К. Хассельманном, Дж. Майлсом, С.А. Торпом, Л.А. Островским, А.Я. Басовичем, В.В. Бахановым, В.И. Талановым, Ю.И. Троицкой, Ю.Д. Чашечкиным, Ю.З. Миропольским, Г.Н. Ивановым, Я.И. Войткунским, Ю.В. Разумеенко, В.В. Васильевой, В.И. Букреевым, В.А. Городцовой, И.В. Стуро-вой, Е.В. Ерманюком, О.А. Дружининым, О.Д. Шишкиной. Первоначально основное внимание ученых было направлено на изучение самих внутренних волн, их взаимодействия с поверхностными волнами и механизма генерации турбулентности. Дальнейшие направления исследований были связаны с гидродинамикой тел, движущихся в стратифицированной жидкости.

Излагается краткое содержание последующих глав.

В первой главе приводится материал обзорного характера, посвященный гидрофизической структуре океана и основным гидродинамическим процессам, протекающим в нем. Анализируются масштабы и характерные виды движений в океане. Даются результаты теоретических исследований О.М. Филипса, К. Хассельманна, Л.А. Островского, А.Я. Басовича, В.В. Баханова, В.И. Таланова о видах взаимодействия внутренних и поверхностных волн, которое может приводить к резонансному эффекту или выглаживанию свободной поверхности. Рассматриваются основные виды сдвиговой и конвективной неустойчивости в однородных и стратифицированных средах, условия роста малых возмущений, основные характеристики турбулентных стратифицированных течений и их отличия от однородных потоков жидкости.

Анализ экспериментальных и теоретических исследований Ю.И. Троицкой, Ю.Д. Чашечкина, Е.Я. Сысоева, Ю.В. Разумеенко, В.В. Васильевой, В.И. Букреева, В.А. Городцова, И.В. Стуровой, Е.В. Ерманюка, О.Д. Шишкиной, Дж. Спединга, X. Робей, Е. Хопфингера позволяет выявить ряд основных закономерностей, появляющихся в интегральных и локальных гидродинамических характеристиках, при буксировке тел в стратифицированной среде. При движении тел в пикноклине или вблизи него происходит возрастание коэффициента волнового сопротивления. Формирующиеся при этом внутренние волны условно разбивают на четыре группы: стоячие волны (область заблокированной жидкости); волны, обусловленные неустойчивостью отрывной зоны; волны,

7


возникающие вследствие коллапса вихревого следа; волны, порожденные турбулентными эффектами («случайные волны»). В спутном следе плохообтекае-мых тел выделяют семь типов течений, среди которых следует отметить нестационарный вихревой след, дорожку дискретных кольцевых вихрей с системой присоединенных ВВ, турбулентный след с анизотропными вихрями.

В конце главы делается вывод о необходимости решения комплексной задачи гидродинамики тела и морской среды, учитывающей их взаимодействие.

Во второй главе приводятся математические модели описания неоднородных течений жидкости. Рассматриваются полные уравнения движения вязкой жидкости, состоящие из уравнения неразрывности, уравнений переноса импульса (уравнений Навье-Стокса), уравнение переноса безразмерной плотности / = {Pw~Pi)/{Ph~??)·> гле Pw ~ плотность жидкости, рп ph- плотности легкой и тяжелой жидкости, полученного из уравнений диффузии соли и баланса тепла в предположении о линейной зависимости поля плотности от температуры и солености; уравнения движения, записанные в приближение Буссинеска; уравнения движения невязкой жидкости и уравнения, описывающие потенциальные течения. Анализируются достоинства и недостатки различных подходов описания стратифицированных течений. Так, модели потенциального волнового движения жидкости, как показано в работах В.В. Васильевой, Н. Г. Кузнецова и О.В. Мотыгина, могут быть эффективно использованы для определения интегральных гидродинамических характеристик тела, взаимодействующего со скачком плотности. При этом делается переход к двухслойной модели среды, что исключает рассмотрение натурных профилей плотности. Линейная волновая модель позволяет описывать распространение ВВ при произвольном профиле стратификации, однако, исследование нелинейных эффектов на ее основе представляется проблематичным.

Особое внимание во второй главе уделяется моделированию турбулентных стратифицированных потоков. Приводятся описания метода прямого численного моделирования турбулентности (непосредственное решение уравнений Навье-Стокса - DNS), метод на основе уравнений Рейнольдса (временное осреднение уравнений Навье-Стокса - URANS) и метод крупных вихрей (пространственное осреднение уравнений Навье-Стокса - LES). Анализируются различные модели турбулентности (полуэмпирические модели Ф. Спаларта, Б. Лаун-дера, Д. Уилкокса, Ф. Ментера, Г. Меллора и др., подсеточные модели Дж. Смагоринского, Д. Лилли, М. Германо, Цанга, гибридные модели М.Х. Стреле-ца и др.), их возможности воспроизводить течения, интересные с точки зрения судостроения, применимость этих моделей для описания стратифицированных потоков жидкости и способы моделирования пристеночных течений.

В главе описываются методы моделирования свободной поверхности: метод слежения за свободной границей, в котором деформируется область течения, и методы фиксации свободной поверхности (метод объема жидкости - Volume of Fluid - VoF, метод определения уровня - Level of Set - LS), основанные на модели многофазной среды. Анализируются возможности моделей описывать обрушение поверхностных волн.

8


В конце главы делаются выводы об ограниченных возможностях потенциальных и линейных волновых моделей описывать стратифицированные течения жидкости.

Третья глава посвящена разработке обобщенной математической модели взаимодействия тел и гидрофизических полей морской среды, описывающей движение вязкой стратифицированной жидкости с учетом границы раздела (интерфейса) воздух - морская среда, на основе метода крупных вихрей.

В начале главы упоминаются известные результаты о разрешимости задачи Навье-Стокса, из которых следует, что начальные и граничные условия, а также граница области, должны быть достаточно гладкими, дифференцируемыми и согласованными, а ее численное решение предпочтительнее осуществлять на основе вариационной процедуры (или слабой формулировки), для которой доказано существование слабых решений.

Уравнения неразрывности, импульса и переноса плотности рассматриваются в неинерциальной системе координат 0Х]Х2Хз, связанной с телом и в начальный момент времени совпадающей с неподвижной ОХ1Х2Х3 ¦ Такая постановка задачи позволяет изучить произвольное движение тела в стратифицированной среде. В ходе пространственной фильтрации в уравнениях импульса и переноса

При движении над пикноклином середина хорды крыла располагалась на высоте \.\Ь от средней линии пикноклина. На рис. 26, а показано развитие гидродинамического следа за крылом. Сопоставляя эту картину с аналогичной для однородной по плотности жидкости, можно установить, что влияние пикноклина, находящегося под крылом, на развитие вихревого следа оказывается ма-

34


лозначительным. Его структура и параметры всплытия оказываются весьма близкими: в обоих случаях след поднимается вверх со скоростью 0.03-0.04 от

Щ.

Турбулентная структура следа также мало отличается от структуры следа в однородном потоке. Волновое движение жидкости проявляется в виде формирования внутренней волны, обусловленной вытесняющим воздействием тела -стоячая волна, и длинной внутренней волны позади тела. Стоячая волна приводит к опусканию пикноклина на величину, не превышающую 0.02Ь. Отношение длины волны к ее высоте - XIhw = 73.5 . Амплитуда длинной волны составляет 0.086.

Наиболее сложная динамика течения наблюдается при движении крыла под пикноклином (рис. 26, б), когда середина хорды крыла располагается на глубине 1.16 от средней линии слоя изменения плотности. В данном случае вихревой след поднимается к пикноклину, но не пересекает его (рис. 26, б). При этом образуется система внутренних волн - длинная волна, берущая начало от носовой кромки крыла, и вторичные короткие волны. Максимальное возвышение всей системы волн составляет около 0.2Ь. Длина коротких волн порядка 1-1.5 от 6, высота - 0.1 lb, отношение длины волны к ее высоте ?? hw~ 8.8. Формирование коротких волн начинается на расстоянии (5-6)6 от задней кромки крыла.

Анализ частотного ко-спектра вертикальной скорости и скаляра и частотного спектра скаляра в точке, расположенной по середине пикноклина на расстоянии 66 от задней кромки крыла показывает, что низкочастотные моды (длинные волны) существуют как в случае расположения крыла над пикноклином, так и под ним, и наблюдаются на частоте Sn= 2жпЬ/Ти0 ~2. Однако, в спектре

поля скаляра крыла, расположенного под скачком плотности, отмечаются две дополнительные высокочастотные моды Sn=4.5 и 10. Ко-спектр имеет два характерных участка наклона. В низкочастотной части наклон кривой пропорционален Sn~3 (волновой характер), в высокочастотной части - Sn~513 (турбулентный характер). В потоке существуют турбулентные структуры, распространяющиеся вдоль жидкой границы. Стратификация препятствует всплытию как крупно, так и мелкомасштабных вихрей.

Расчеты обтекания крыла потоком линейно-стратифицированной жидкости выполнены для чисел Re=3.1-10 и Fi=\A. В этом случае преобладает волновое движение жидкости (рис. 26, в). Вертикальное перемещение торцевых вихрей отсутствует и наблюдается их быстрое размывание (рис. 26, в). Захватываемая вихрями более тяжелая жидкость препятствует их всплытию. Коллапс турбулентного следа происходит на расстоянии около 36 от задней кромки. Топология внутренних волн носит нерегулярный характер. Несмотря на их сложную пространственную структуру, можно выделить три группы волн: стоячую волну, образованную непосредственно вытесняющим воздействием крыла, длинную волну за телом и пакеты коротких внутренних волн. Геометрические параметры стоячей волны следующие: высота волны - 0.36, отношение длины волны к ее высоте - ?/hw = 5.57. Высота длинной волны составляет 0.236, а отно-

35


шение длины к высоте XIhw= 34.8. Максимальные длина и высота коротких нерегулярных волн не превышают 1.02& и 0.53Z? соответственно, отношение длины к высоте Я / hw = 1.94. Указанные параметры критические, и короткие

волны обрушаются, вследствие чего формируются пятна турбулентности. После их коллапса вновь наблюдается волновой характер движения жидкости.

Влияние стратификации на интегральные гидродинамические характеристики крыла малого удлинения носит характер, аналогичный ранее полученному для тел с плавными обводами: при больших углах атаки увеличение сопротивления тела не превышает 3-5%. Однако, падение подъемной силы может достигать 11%.

Сравнение характеристик природных и корабельных внутренних волн показывает, что для природных внутренних волн характерны низкие частоты (Sn =0.7-2.2), которые на порядок меньше частот ВВ, вызванных поступательным движением тел (Sn =6-20). Частоты корабельных внутренних волн увеличиваются с увеличением числа Фруда.

Влияние свободной поверхности на обтекание крыла удлинением ?=1, имеющего профиль NACA 0012, исследовано для угла атаки а = -20°. В первом случае крыло располагалось на глубине h=\.\b, число Рейнольдса и Фруда составляли Re = M0ї>/v=3.1-105 и Fr = uo/yJgb=0.\. Во втором случае - на глубине h=0.5b, Re=8.31-10 и Fr=2.65. Основное внимание в исследовании уделено полевым гидродинамическим характеристикам ближнего следа.

В случае первого режима влияние крыла на свободную поверхность незначительно. Эта объясняется достаточно большим относительным заглублением крыла и малой скоростью его движения. Свободная поверхность играет роль «твердого экрана» и вихревые жгуты распространяются вниз по течению параллельно ей. Экспериментальные исследования также показывают, что при числах Fr=0.5672 и /2=1.034 максимальное отклонение свободной поверхности ? составляет не более 3% от длины хорды Ь.

Рис. 27. Трансформация свободной поверхности при поступательном движении под ней крыла малого удлинения, h=0.5b, Re=8313000, Fr=2.65.

Взаимодействие крыла со свободной поверхностью начинается при меньших глубинах и больших значениях чисел Фруда. При числе Fr=2.65 и h=0.5b наблюдается развитая волновая картина, сопровождающаяся обрушением поверхностных волн (рис. 27). Формируются четыре ярко выраженных волновых пика: первая волна обусловлена вытесняющим воздействием самого крыла и располагается над телом, три последующих коротких волны вызваны взаимодействием гидродинамического следа со свободной поверхностью. Аналогич-

36


ная структура волнового движения наблюдается и в экспериментальных исследованиях.

Максимальная амплитуда волн в случае второго режима составляет 0.22Ь, длина Х = 2.\Ь. Вихревые жгуты поднимаются к свободной поверхности со скоростью и3/и0 =0.072.

Анализ поля завихренности (03 показывает, что на свободной поверхности

наблюдается вихревое движение, индуцированное вихревым следом за крылом, которое концентрируется на вершинах волн. На свободной поверхности также наблюдаются пятна турбулентности. Несмотря на кажущуюся случайность волнового движения, нельзя не отметить достаточно устойчивую во времени пространственную структуру волн - вниз по течению волны расходятся образуя дуги, центры которых совершает колебания относительно диаметральной плоскости.

В конце главы сформулированы выводы о характерных особенностях природных и корабельных внутренних волн, их отличиях (частоты корабельных ВВ на порядок выше природных), основных проявлениях взаимодействия тел с гидрофизическими полями морской среды (формирование ВВ, коллапс турбулентного следа, увеличение в ряде случаев сопротивления и изменение спектральных характеристик).

В заключении указано, что работа представляет собой решение научной проблемы взаимодействия тел и гидрофизических полей океана, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Основные результаты, полученные в работе состоят в следующем:

  1. Построена обобщенная математическая модель, описывающая движение вязкой стратифицированной жидкости с учетом границы (интерфейса) воздух -морская среда, на основе метода крупных вихрей (LES).
  2. Создана новая подсеточная модель турбулентности для описания стратифицированных течений жидкости на основе анализа волновой и турбулентной составляющих спектра (спектра Ламли)
  3. Предложена модифицированная подсеточная смешанная динамическая модель турбулентности с регуляризирующей процедурой на основе разложения в ряд Тейлора.
  4. Разработан новый конечно-элементный метод решения уравнений гидродинамики тела и динамики морской среды на основе строго математического обоснования.
  5. На основе анализа гидрофизической структуры океана и его гидродинамики показано, что наибольшее влияние на гидродинамические характеристики тел оказывают мелкомасштабные процессы и стратификация.

6.  Разработан программный комплекс для выполнения высокопроизводи

тельных расчетов в области гидродинамики корабля и динамики океана на су

перкомпьютерных системах.

8. Выполнена серия тестовых и верификационных расчетов, показывающих достоверность результатов, получаемых с помощью предлагаемой модели, ме-

37


тода численного решения и программного комплекса, путем сравнения их с экспериментальными данными и расчетами других авторов.

9. Получены новые результаты взаимодействия тел и гидрофизических полей морской среды, а именно:

а). Показано, что при образовании внутренних приливных волн над подводной возвышенностью проявление внутренних волн на свободной поверхности обусловлено выносом к поверхности гребнями ВВ более плотных водных масс, которые меняют оптические свойства свободной поверхности, б). Гравитационные течения на склонах шельфа носят сложный пространственно-временной характер. На свалах глубин превалируют турбулентные процессы, на подъеме - волновые.

в). Показано, что поверхностные волны продуцируют внутренние волны. В дальнейшем имеет место их взаимодействия, приводящее с выглаживанию свободной поверхности.

г). Показано, что ветро-волновое взаимодействие приводит к образованию ВВ. На свободной поверхности спектр носит волновой характер. На уровне пикноклина - волновой и турбулентный характер.

д). Стратификация оказывает влияние на сопротивления тел, приводит к появлению дополнительной моды в частотном спектре коэффициента сопротивления.

е). Выявлено, что характерные частоты природных внутренних волн существенно меньше (на порядок) частот корабельных внутренних волн. Анализ спектров внутренних волн позволяет идентифицировать источник их образования.

ж) На основе предлагаемой модели получена возможность исследовать взаимодействие тел и гидрофизических полей морской среды в широком диапазоне критериев подобия.

По теме диссертации автором опубликованы следующие основные работы:

Монографии:

1.   Гурьев Ю.В., Ткаченко И.В. Компьютерные технологии в корабельной

гидродинамике. СПб: ВМИИ. 2010. 20,25 печ.л.

В рецензируемых научных журналах и изданиях:

  1. Jahnke S., Kornev N., Tkatchenko I., Hassel E., Leder A. Numerische Untersu-chungen zum Einfluss verschiedener Parameter auf die Mischung im koaxialen Strahlmischer mit Hilfe der LES // Chemie Ing. & Techn. 2004.
  2. Jahnke S., Kornev N., Tkatchenko I., Hassel E., Leder A. Numerical study of influence of different parameters on mixing in a coaxial jet mixer using LES // Heat Mass Transfer. 2005. № 41. P. 471-481.
  3. Kornev N. Tkatchenko I., Hassel E. A simple clipping procedure for the dynamic mixed model based on Taylor series approximation // Communications in Numerical Methods in Engineering. 2006. V. 22. P. 55-61.

38


  1. Jahnke S., Kornev N., Tkatchenko I., Zhdanov V., Hassel E. Large-Eddy simulation and laser diagnostic measurements of mixing in a coaxial jet mixer // Journal of Chemical Engineering Science. 2006. V. 61. P. 2908-2912.
  2. Сафрай A.C., Белевич М.Ю., Ткаченко И.В., Гордеева СМ. Моделирование сезонной изменчивости внутренних приливов в Баренцевом море // Навигация и гидрография, № 22. 2006.
  3. Tkachenko Г, Kornev N., Jahnke S., Steffen G., Hassel E. Performances of LES and RANS models for simulation of complex flow in coaxial jet mixer // Flow, Turbulence and Combustion. 2007. № 78(2). P. 111-127.
  4. Гурьев Ю.В., Ткаченко И.В. Моделирование обтекания тела вращением потоком стратифицированной жидкости на основе метода крупных вихрей (LES) // «Фундаментальная и прикладная гидрофизика» Сб. научн. трудов. 2008. №1. С. 80-87.
  5. Гурьев Ю.В., Слуцкая М.З., Ткаченко И.В. Гидродинамические проблемы создания компьютерных тренажеров морских объектов и пути их решения // «фундаментальная и прикладная гидрофизика» Сб. научн. трудов. 2008. № 2. С. 29-44.

10.Сафрай А.С., Ткаченко И.В. Численное моделирование гравитационных течений жидкости в наклонных каналах // Изв. РАН, Механика жидкости и газа. 2009. № 1.С. 27-38.

П.Стецюк И.В., Ткаченко И.В., Верификация моделей турбулентности для численного моделирования стратифицированных течений жидкости возле плохообтекаемых тел // Морские интеллектуальные технологии. 2009. № 1.С. 46-47.

12.Ткаченко И.В. Моделирование обтекания маневрирующего тела на основе метода крупных вихрей // Труды ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова. 2009. Вып. 49 (333). С. 55-66.

13.Гурьев Ю.В., Ткаченко И.В. Структура течения за погруженным телом вблизи пикноклина // Изв. РАН, Механика жидкости и газа. 2010. № 1. С. 22-31.

14.Гурьев Ю.В., Ткаченко И.В., Якушенко Е.И. Влияние жидких границ на обтекание крыла малого удлинения // Изв. РАН, Механика жидкости и газа. 2011. № 6. С. 69-80.

15.Гурьев Ю.В., Ткаченко И.В., Якушенко Е.И. Компьютерные технологии корабельной гидромеханики: состояние и перспективы // «Фундаментальная и прикладная гидрофизика» Сб. научн. трудов. Т. 4. № 3. 2011. С. 8-21.

16.Дукарский А.О., Кисилев Д.Б., Ткаченко И.В., Тряскин В.Н., Тряскин Н.В., Якимов В.В. Математическое моделирование колебаний жидкости в грузовых емкостях газовозов при соударении с ледовым препятствием // Морские интеллектуальные технологии. 2011. № 4. С. 69-75.

Прочие публикации:

17.Shin Н., Tkachenko I. The Generation of the Vortex Wake by Artificial obstacles // Schiffbauforschung. V. 43 (2). 2004. P. 59-67.

39


18.Jahnke S., Kornev N., Tkatchenko L, G. Steffen, V. Zhdanov, Hassel E. Large-Eddy Simulation of Flow Phenomena in a Coaxial Jet Mixer // ERCOFTAC bulleten "Reacting flow predictions and validation". № 64. March 2005. P. 51-54.

19.Jahnke S., Kornev N., Tkatchenko I., Zhdanov V., Hassel E. Numerical and experimental study of mixing in jet mixer // Proc. ERCOFTAC Int. Symp. EMM6. 23-25 May. 2005. Sardinija. Italy; Engineering Turbulence Modeling and Experiments 6. Edited by W. Rodi, M. Mulas. Elsevier. 2005. P. 783-792.

20.Jahnke S., Kornev N., Tkatchenko I., Zhdanov V., Hassel E. Simulation and Measurement of flow phenomena in a coaxial jet mixer // Turbulence and shear flow phenomena. Marriott Conference Center. June 27-29. 2005. Williamsburg. Virginia. USA; Turbulence and Shear Flow Phenomena TSFP-4. Edited by H. T. Gatski. 2005. V. 2. P. 723-728.

21.Kornev N., Tkatchenko I., Jahnke S., Zhdanov V., Hassel E. LES simulation and measurements of separation flow phenomena in a confined coaxial jet with large to outer velosity ratio // Advances and Applications in Fluid Mechanics. 2007. V. 2. Issue 1. P. 1-28.

22.Гурьев Ю.В., Стецюк И.В., Ткаченко И.В. Гидродинамика подводного объекта в стратифицированной среде // Труды Международной конференции "Подводные технологии - SubSeaTECH". 25-28 июня 2007. С.Петербург.

23.Стецюк И.В., Ткаченко И.В. Численное исследование течения за сферой в стратифицированной жидкости // Труды 14-й Международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях». 2-5 июля 2007. С.-Петербург. С. 291-293.

24.Гурьев Ю.В., Стецюк И.В., Ткаченко И.В. Моделирование взаимодействия морских объектов с гидрофизическими полями океана // Труды IX Всероссийиской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». 27-29 мая. 2008. С.-Петербург. С. 342-346.

25.Гурьев Ю.В., Ткаченко И.В. Влияние стратификации на динамику вихревых структур за погруженным крылом // Труды X Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». 2010. СПб. «Наука». С. 261-264.

26.Гурьев Ю.В., Ткаченко И.В. Современные направления развития гидродинамического проектирования корабля // Оборонный заказ. 2010. № 28-29. С. 33-35.

40

 



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.