Обоснование параметров численного моделирования обтекания бонового ограждения

Список литературы

1. Ежов В. С. Снижение вредных газообразных выбросов источников центрального теплоснабжения / В. С. Ежов // Промышленная энергетика. — 2006. — № 12.

2. Ежов В. С. Экологичная технология очистки и утилизации газообразных выбросов теплогенерирующих установок / В. С. Ежов // Успехи современного естествознания / Академия естествознания. — 2007. — № 7.

3. Иванченко А. А. Техника и технология нейтрализации и в отработавших газах СЭУ: учеб. пособие / А. А. Иванченко. — СПб.: СПГУВК, 2012. — 111 с.

4. Хачоян М. М. Исследование эффективности очистки дымовых газов от оксидов азота в присутствии озона / М. М. Хачоян, В. А. Туркин // Сб. науч. тр.: в 2 ч. / отв. ред В. В. Демьянов. — Новороссийск: ГМУ им. адм. Ф. Ф. Ушакова, 2011. — Вып. 16. — Ч. 1.

УДК 532.5:001.5 Е. Ю. Чебан,

канд. техн. наук, ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ БОНОВОГО ОГРАЖДЕНИЯ

SUBSTANTIATION OF PARAMETERS OF NUMERICAL SIMULATION OF FLOW AROUND OIL SPILL BOOM

Представлены результаты численного моделирования обтекания элементов бонового ограждения: цилиндра и пластины. Выполнено сравнение результатов буксировочных испытаний и численного моделирования, которое показало хорошее соответствие результатов. Выбраны и обоснованы параметры численного моделирования, оказывающие наибольшее влияние на точность, исследовано влияние изменения этих параметров на результаты вычислительного эксперимента.

This paper provides numerical simulation offlow around oil spill boom’s elements. The comparison of towing test results for plate and cylinder with numerical simulation is performed. The numerical results of the resistance force for plate and cylinder show fairly good agreement with the towing test. The most important numerical parameters of modeling were selected and substantiated. The result’s effects of their changing were investigated.

Ключевые слова: боновое ограждение, вычислительная гидродинамика, математическое моделирование, буксировочные испытания, опытный бассейн, расчетная сетка, масштаб турбулентности, CFD.

Key words: oil spill boom, computer fluid dynamics CFD, mathematic modeling, test basin, towage tests, computational grid, scale of turbulence, turbulence models.

В НАСТОЯЩЕЕ время для исследования обтекания боновых ограждений и других средств ЛРН, используются как натурные испытания, проводимые в специализированных опытных бассейнах (например, OHMSETT), так и CFD-программы, в основе которых лежат численные методы решения дифференциальных уравнений Навье-Стокса [1, с. 92-96; 2; 3, с. 130-139].

Одной из проблем при численном моделировании гидродинамических явлений является соответствие его результатов данным, полученным в модельных или натурных экспериментах, проведенных в аналогичных условиях.

Выпуск 4

¡Выпуск 4

Большой объем экспериментальных данных по буксировочным испытаниям натурных образцов боновых ограждении в опытном бассейне накоплен ОИМ8ЕТТ. Аналогичные исследования выполнялись и во ВГАВТе. Однако если сравнить обобщенные результаты моделирования, которые по различным данным составляют величины Сх от 1,3 до 1,845, то видны существенные отличия. Разницу в величинах коэффициентов можно объяснить различной конструкцией испытываемых бонов, которые могут иметь, например, различные выступающие части: тросы, крепления, замки и т. д. Поскольку конкретные особенности испытанных конструкций неизвестны, то оценивать точность численного моделирования по этим данным нельзя. Также нет данных по материалам, из которых изготовлены конкретные образцы. Поэтому для сравнения необходимы специально выполненные буксировочные испытания, результаты которых подтверждаются расчетами по хорошо изученным теоретическим закономерностям. Для боновых ограждений такие расчеты невозможны, поэтому одним из вариантов решения этого вопроса может быть сравнение результатов численного моделирования с результатами буксировок простых тел. Для бонового ограждения такими телами могут быть цилиндр и пластина, поскольку в общем случае боновое ограждение состоит из цилиндрической камеры плавучести и прямой юбки, которая может быть представлена пластиной [2; 3].

Для боновых ограждений параметром, который позволяет судить об адекватности численного моделирования, может быть величина силы сопротивления или коэффициент сопротивления. Точность определения силы сопротивления важна еще и потому, что от ее величины зависит выбор способа заякоривания, масса и тип якоря, а также общая прочность конструкции реального бонового ограждения.

В опытном бассейне НГАВТ в 2011 г. А. Красновым [4, с. 16-18; 5, с. 13-15] были выполнены исследования обтекания цилиндра и пластины, расположенной против потока. Результаты этих исследований в виде графиков, показывающих сравнение экспериментальных и расчетных значений силы сопротивления, приведены на рис. 1, 2.

3,0 г,э г,о

1,5

Ю

0,5

1

\ \ /

/

\ Й<

У

0,7 0,3 0,9 1,0 1,1 1,3 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,3 И п/с

Рис. 1. Кривая сопротивления пластины:

1 — экспериментальная кривая сопротивления; 2 — расчетная кривая сопротивления

Рис. 2. Кривая сопротивления вертикального кругового цилиндра:

1 — экспериментальная кривая сопротивления; 2 — расчетная кривая сопротивления

Численное моделирование выполнялось с помощью программного комплекса Шо^УМоп российской компании «Тесис».

Твердотельная геометрия расчетной области (рис. 3) пластины и цилиндра была разработана в СЛБ-системе, в точном соответствии с характеристиками, приведенными в работах [4; 5].

Для моделирования использовалась математическая модель движения вязкой жидкости со свободной поверхностью, состоящая из уравнений движения вязкой жидкости в форме Навье-Стокса, уравнения неразрывности, £-е-модели турбулентности, функции УОБ, описывающей форму свободной поверхности жидкости [3; 7; 8, с. 46-54].

В качестве входных условий на передней стенке канала задавались нормальная скорость и начальная степень турбулизации потока. На верхней, нижней и боковых границах канала ус-

танавливалось условие стенки с проскальзыванием. Задняя стенка соответствовала граничному условию выхода. На поверхности пластины и цилиндра было задано условие непротекания с турбулентным пограничным слоем, характеризующимся логарифмическим законом изменения касательной компоненты скорости. Схема расстановки граничных условий приведена на рис. 3.

Из практики использования СГЭ-программ [7; 8] известно, что на точность численного моделирования наибольшее влияние оказывают размер и «конструкция» расчетной сетки, а также начальная степень турбулизации потока («масштаб турбулентности»). В зависимости от реализованной в той или иной программе моделей турбулентности и способов расчета турбулентных течений выбор этих параметров при моделировании представляет определенные трудности, поскольку масштаб турбулентности, скорость потока и размер ячеек сетки оказываются в той или иной степени зависимы между собой.

Рис. 3. Расстановка граничных условий на гранях расчетной области

Таблица 1

Типы границ и граничные условия

Грани Тип границы Граничное условие

Г1 «вход/выход» inlet/outlet) Задается нормальная компонента скорости и = и

Г2 «свободный выход» (free outlet) Нормальные производные компонент вектора скорости, равные нулю Р| = 0

Г3, Г5, Г6 «стенка» На границе области задано условие прилипания и \^ = 0

Г7 симметрия (symmetry) Компоненты вектора скорости удовлетворяют одному из условий: и. \^ = 0, если п. Ф 0 (Уи. ,л)| = 0, если п. = 0

Гш]

Для проверки адекватности моделирования в соответствии с экспериментальными и расчетными результатами изменялись начальный масштаб турбулентности, скорость потока, а также размер и конструкция сетки.

Выпуск 4

¡Выпуск 4

На начальном этапе работы были выполнены пробные расчеты с мелкой сеткой с размером ячеек Б/14 и Б/28, а также с адаптацией по поверхности цилиндра, в том числе по переменным «давление» и «относительный объем жидкости в ячейке», для более точного описания свободной поверхности в области цилиндра и пластины.

Рис. 4. Расчетная сетка с адаптацией для пластины

Рис. 5. Один из вариантов расчетной сетки с адаптацией для цилиндра

В ходе пробного моделирования было выяснено, что расчетная сетка на основе местной адаптации по поверхности цилиндра, в отличие от пластины, приводит к крайне неточным результатам, которые отличаются более чем на 50 % от экспериментальных или расчетных, как это видно из рис. 6. Наиболее согласующиеся с экспериментальными данными результаты для пластины были получены при измельчении сетки в районе свободной поверхности. Размер ячейки при этом составил около 4 мм по вертикали.

Результаты моделирования и буксировки для пластины приведены на рис. 7. Из рисунка видно, для масштаба турбулентности 0,1 результаты численного моделирования точно согласуются с расчетными и в области скоростей 1-1,5 м/с, где на экспериментальной кривой наблюдаются существенные отличия.

-7:

/ А

-71"

1" I

скорость

Рис. 6. Результаты пробных численных экспериментов с мелкой сеткой и адаптацией по поверхности цилиндра

с 26 2 2 4 £ 2 2

^ ^ К* к*

скорость, мЛ

Рис. 7. Сравнение результатов численного моделирования для пластины и буксировок в опытном бассейне НГАВТ

Результаты моделирования обтекания цилиндра с помощью программного комплекса Шо^'Ушоп в сравнении с буксировками приведены на рис. 6. На рисунке приведены экспериментальная и расчетная кривая сопротивления вместе с точками, полученными при различном размере сетки в виде отношения диаметра цилиндра В к количеству ячеек сетки в поперечном направлении цилиндра. Масштаб турбулентности составлял 0,1 и 0,01 м.

Как видно из рисунка, наиболее приближенные к эксперименту данные получаются при размере ячеек В/6 и масштабе турбулентности 0,1 м. Однако при значениях 0,01 и В/6 в диапазоне скоростей от 1 до 1,5 м/с значения ближе к экспериментальным результатам. Полученные данные при скоростях 0,75-1 м/с лежат довольно близко как к экспериментальным, так и к расчетным данным, за исключением результатов, полученных при В/6 и масштабе 0,01 м, которые при больших скоростях лежат внутри области между обеими кривыми.

При численном моделировании был проверен случай скорости 0,5 м/с, интересующий нас с точки зрения работоспособности боновых ограждений. В работах [1; 2] данных для этой скорости получить не удалось. Как показало численное моделирование, при скорости потока 0,5-0,75 м/с обтекание цилиндра крайне неустойчиво при любом размере сеток и вихрей. Обтекание сопровождается интенсивным срывом вихрей с поверхности цилиндра, которое можно отследить по состоянию свободной поверхности жидкости в расчетной области. Кривые изменения давления с течением модельного времени на поверхности цилиндра носят периодический характер с очень значительной амплитудой. Это позволяет предположить, что унос нефти под боновое ограждение с цилиндрическим поплавком может быть обусловлен не только гидродинамикой двухфазных процессов, но и влиянием отрывных течений при скоростях около

0,5 м/с.

Выпуск 4

-экспериментальная кривая сопротивления -расчётная кривая сопротивления -РУ й/6 МТ 0_01 РУ й/6 МТ 0_1 -РУ й/5 МТ 0_01 -РУ й/5 МТ 0_1 -РУ й/4 МТ 0_01 -РУ й/4 МТ 0_1

скорость, м/с

Рис. 8. Сравнение результатов численного моделирования для цилиндра и буксировок

в опытном бассейне НГАВТ

с

б

Рис. 10. Изолинии свободной поверхности (а) и линии тока (б) при обтекании цилиндра при скорости 0,5 м/с

Таким образом, по проведенной работе можно сделать следующие выводы:

— с помощью программного комплекса Шо^'Ушоп может быть достигнута необходимая точность моделирования, что подтверждается экспериментальными и расчетными данными;

— определены начальные масштабы турбулентности и размеры расчетной сетки, при которых обеспечивается достаточная точность результатов численного моделирования;

— полученные данные могут быть использованы при выборе таких параметров численного моделирования, которые позволят получить адекватные результаты и значительно снизить затраты времени на моделирование в дальнейшем.

Список литературы

1. Чебан Е. Ю. Использование программного комплекса Шо^УМоп для разработки методики оценки эффективности нефтесборного бонового ограждения / Е. Ю. Чебан // САПР и графика. — М.: КомпьютерПресс, 2007.

2. Комаровский Д. П. Взаимодействие нефтяного пятна на поверхности водотока с боновым заграждением / Д. П. Комаровский, В. К. Липский // Природные ресурсы / Академия наук Республики Беларусь. — Минск, 2003. — № 4.

3. Чебан Е. Ю. Численное моделирование обтекания нефтесборного бонового ограждения с применением программного комплекса Шо^Ушоп / Е. Ю. Чебан // Вестник ВГАВТ: Надежность и ресурс в машиностроении. — Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005.

4. Краснов А. В. Вихревое сопротивление перпендикулярной к потоку пластины / А. В. Краснов // М0РИНТЕХ-2011. — 2011. — Спецвып. № 2.

5. Краснов А. В. Вихревое сопротивление вертикального кругового цилиндра / А. В. Краснов // М0РИНТЕХ-2011. — 2011. — Спецвып. № 2.

Выпуск 4

Выпуск 4

6. Чебан Е. Ю. Особенности использования различных модулей программного комплекса FlowVision при моделировании обтекания технических средств локализации и ликвидации разливов нефти / Е. Ю. Чебан, М. Л. Смирнова // Инженерные системы-2009: тр. Всерос. науч.-практ. конф. Сер. «Прикладные исследования в механике». — М.: Изд-во МФТИ, 2009. — Т. 1. — С. 81.

7. Aksenov A. Numerical Simulation of Water Flow around Ship with Screw Propeller / A. Aksenov, V. Pokhilko, A. Dyadkin // Proceedings of ASME PVP, COMPUTATIONAL TECHNOLOGY (CFD), July 22-26, 2001. Hyatt Regency. — Atlanta, Georgia, USA, 2001.

8. Печенюк А. В. Моделирование буксировочных испытаний перспективного контейнеровоза KRISO при помощи комплекса гидродинамического анализа Flow Vision / А. В. Печенюк // Инженерные системы-2005: тр. конф. Сер. «Прикладные исследования в механике». — М.: МФТИ,

2005.