Вы здесь

Гідродинаміка течії між прямокутними призмами, що розташовані тандемом над екраном.

Автор: 
Кравець Олена Володимирівна
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2009
Артикул:
0409U003835
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

Содержание
Введение
Раздел 1. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ГИДРОДИНАМИКИ КАВЕРН, КОТОРАЯ ОТРАЖАЕТ ТЕЧЕНИЕ МЕЖДУ
ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ ПРИЗМАМИ
1.1. Аэродинамическое сопротивление скоростного транспортного средства
1.2. Исследования по снижению сопротивления межвагонного пространства
скоростного поезда
1.3. Обзор моделей и методов гидродинамики каверн
1.3.1. Теоретические модели течения несжимаемой жидкости в каверне
1.3.2. Экспериментальное изучение движения жидкости в каверне
1.3.3. Численные методы задач течения в каверне
1.4. Модели турбулентности для расчета несжимаемых течений при больших
скоростях
1.4.1. Модели турбулентности первого приближения (градиентные модели)
1.4.2. Модели турбулентности второго приближения (дифференциальные модели)
1.5. Выводы. Цели и задачи работы
Раздел 2. Система исходных уравнений и метод решения
2.1. Система уравнений ламинарного течения несжимаемой
среды
2.2. Система уравнений для расчета турбулентного течения.
Модель турбулентности
2.3. Построение дискретных аналогов краевых задач
2.3.1. Дискретизация системы исходных дифференциальных уравнений
2.3.2. Формирование глобальной матрицы коэффициентов
2.4. Алгоритм численного решения задачи на основе МКЭ
2.5. Методы решения систем алгебраических уравнений
2.6. Сходимость решения
2.7. Выводы
Раздел 3. Расчет течения в квадратной каверне с локально подвижной крышкой
3.1. Квадратная каверна с центральной локально подвижной
крышкой
3.1.1. Постановка задачи
3.1.2. Результаты расчетов варианта каверны при
3.1.3. Результаты расчетов варианта каверны при
3.2. Квадратная каверна с несимметрично расположенной
локально подвижной крышкой
3.2.1. Постановка задачи
3.2.2. Влияние расположения, протяженности и скорости
локально подвижного участка крышки на
циркуляционное течение в каверне
3.2.3. Анализ воздействия циркуляционного течения
от локально подвижного участка крышки
на распределение касательных напряжений
и коэффициента давления на неподвижных
стенках каверны
3.3. Выводы
Раздел 4. Гидродинамика открытой каверны над экраном
4.1. Постановка задачи обтекания открытой каверны
4.2. Ламинарный режим обтекания открытой каверны
4.2.1. Профили скорости вихревого течения в открытой каверне
4.2.2. Зона смешения
4.2.3. Пограничный слой на стенках открытой каверны
4.3. Обтекание открытой каверны с большими числами Re
4.3.1. Тестирование кинематических параметров в открытой каверне
4.3.2. Анализ влияния на точность вычислений в зоне смешения толщины
пограничного слоя в точке отрыва перед каверной
4.3.3. Оценка точности вычислений в пограничном слое на стенках и дне
каверны
4.4. Расчет гидродинамических параметров при обтекании открытой каверны без дна
над экраном
4.4.1. Обоснование выбранных граничных условий
4.4.2. Анализ результатов вычислений
4.5. Обтекание дозвуковым потоком частично перекрытой каверны без дна над
экраном
4.5.1. Численное исследование влияния перекрытия на гидродинамические
характеристики открытой каверны над экраном
4.5.2. Аэродинамическое сопротивление каверны с перекрытием над экраном
4.6. Выводы
Раздел 5. Численное моделирование ТРЕХМЕРНОГО течения между прямоугольными
призмами, расположен-ными по схеме «тандем» над экраном
5.1. Численный расчет трехмерного циркуляционного течения в пространстве между
торцами прямоугольных призм
5.1.1. К выбору расчетной области и граничных условий
5.1.2. Структура потока в области между торцами двух прямоугольных призм,
расположенных тандемом над экраном
5.2. Аэродинамическое сопротивление межторцовой области двух  прямоугольных
призм, расположенных тандемом над
экраном
5.3. Влияние перемычки на гидродинамику обтекания межторцовой области двух
призм, расположенных тандемом над экраном
5.3.1. Структура течения в межторцовой области с перемычкой
5.3.2. Расчет коэффициента аэродинамического сопротивления межторцового объема
с перемычкой
5.4. Выводы
Заключение
Литература
Введение
Программа развития скоростного движения на главных железнодорожных магистралях
в Украине предусматривает стыковку скоростных транспортных коридоров стран СНГ
и Европы. Поэтому исследования, связанные с внедрением скоростных поездов,
являются актуальными.
Последняя четверть ХХ века была отмечена бурными темпами роста скорости
движения наземного железнодорожного и автомобильного транспорта. Если к -м
годам скорости подвижного железнодорожного состава достигли  км/ч, то к
началу ХХІ столетия перевозки уже осуществлялись со скоростями свыше  км/ч
[, ]. Работам по развитию высокоскоростного движения наземного транспорта
уделяется значительное внимание в Японии, Франции, России, Германии, Канаде,
США, Италии, Украине и других странах.
С ростом скорости движения наземного транспорта актуальными становятся вопросы
взаимодействия его с вязкой воздушной средой вблизи подстилающей земной
поверхности, и возникновения существенных по величине аэродинамических сил и
моментов, оказывающих влияние на характер движения.
Появление аэродинамической силы связано с совместным воздействием на внешнюю
поверхность транспортного средства касательных напряжений от трения его с
воздушной средой и давления. Сопротивление трения зависит от скорости движения,
удлинения транспортного средства, шероховатости его поверхности, формы и
размеров межвагонных промежутков и т. д. Сопротивление от давления
транспортного средства, как правило, связано с конфигурацией форм его лобовой и
хвостовой частей, межвагонных промежутков, надстроечных элементов и др., на
боковой поверхности которых есть области с более высоким или низким давлением
относительно давления окружающего воздуха.
В [, ] отмечалось, что по мере роста скорости движения железнодорожного
состава и усиления его взаимодействия с набегающим потоком появляется
необходимость решать задачи по оптимизации внешних обводов локомотива и
вагонов. Установлено, что наибольшее влияние () на аэродинамическое
сопротивление подвижного состава оказывают формы лобовой и хвостовой частей
поезда, наименьшее влияние () приходится на элементы конструкции в виде
«заглубленных» поручней и окон, а полное перекрытие межвагонных промежутков
позволяет снизить аэродинамическое сопротивление поезда на в зависимости от
числа вагонов в подвижном составе.
С ростом скорости подвижного состава выбор по критерию минимального
аэродинамического сопротивления рациональной конфигурации стыка смежных вагонов
также приобретает большую практическую значимость, снижая энергетические
затраты локомотива на компенсацию потерь от сопротивления циркуляционных
течений в межвагонных промежутках.
Актуальность темы. Известные результаты исследований по аэродинамике подвижного
состава получены, преимущественно, экспериментальными методами: на «натурных»
объектах или в аэродинамических трубах с использованием теории подобия. Однако,
исследования на «натурных» объектах связаны с большими финансовыми затратами
как на эксперимент, так и на обеспечение условий движения подвижного состава с
более высокими скоростями. Результаты экспериментов в аэродинамических трубах
нельзя считать абсолютно достоверными, например, в силу технической сложности
корректного физического моделирования смещения подстилающей земной поверхности
(экрана) синхронно скоростному режиму подвижного состава.
Развитие компьютерной техники и вычислительных методов для решения задач
механики жидкости и газа, произошедшее в последние десятилетия, позволяет
приемами математического моделирования решать задачи подобного класса, получая
более детальную информацию по сравнению с экспериментальными исследованиями.
Таким образом, проведение средствами вычислительной техники совершенствования
аэродинамических обводов высокоскоростного транспорта с ростом его скорости
является практически необходимой и актуальной задачей, решение которой позволит
снизить затраты мощности тягового привода на преодоление аэродинамического
сопротивление подвижного состава.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертация выполнена по
плану научно-исследовательских работ Днепропетровского национального
университета имени Олеся Гончара (решение Совета механико-математического
факультета Днепропетровского национального университета имени Олеся Гончара,
протокол №  от ); шифр темы – ММФ: «Моделирование
гидродинамических и теплофизических процессов в энергетических системах».
Цель исследования – изучение структуры и определение основных параметров
циркуляционных течений в межторцовых зонах в задаче обтекания прямоугольных
призм, тандемом расположенных над экраном, на основе численного решения
уравнений динамики вязкой несжимаемой жидкости, исследование и поиск
рациональных форм перекрытия пространства между призмами по критерию
минимизации аэродинамического сопротивления.
Задачи исследования, которые решены в процессе выполнения работы:
1. Составлены математические модели ламинарного и турбулентного вязких
несжимаемых потоков при обтекании прямоугольных призм, тандемом расположенных
над экраном; выполнено математическое моделирование турбулентного течения на
базе осредненных уравнений Навье-Стокса с использованием k-e-модели
турбулентности, и получено их численное решение с применением метода конечных
элементов.
2. Выполнено тестирование разработанного численного алгоритма на задаче о
течении вязкой жидкости в квадратной каверне с подвижной верхней крышкой, а
также в открытой каверне с учетом внешнего течения.
3. Разработана методика определения коэффициента аэродинамического
сопротивления для каверны с локально подвижной крышкой, открытой каверны без
дна над экраном (двумерная постановка), а также для межторцового пространства
двух призм, тандемом расположенных над экраном, при наличии и отсутствии
перемычки между призмами.
4. Проведено численное исследование и установлена спиральная структура вязкого
трехмерного течения между торцами прямоугольных призм, тандемом расположенных
над экраном, которое моделирует обтекание межвагонного пространства скоростного
поезда.
5. Решена новая задача о влиянии перемычки в межторцовой области тандемом
расположенных над экраном призм на структуру спиралевидного течения и на
снижение его аэродинамического сопротивления в межторцовой области.
Объектом исследования диссертационной работы является движение несжимаемой
вязкой жидкости между торцами прямоугольных призм, тандемом расположенных над
экраном.
Предметом исследования является влияние параметров потока на бесконечности и
геометрии прямоугольных призм, тандемом расположенных над экраном, на
аэродинамическое сопротивление циркуляционного течения в их межторцовом
пространстве.
Метод исследования базируется на использовании метода конечных элементов и
определяющих соотношений динамики вязкой жидкости.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
) проведено математическое моделирование обтекания межторцового пространства в
задачах с двух- и трехмерной постановкой вязким течением между прямоугольными
призмами, тандемом расположенными над экраном, на базе осредненных по времени
уравнений Навье-Стокса несжимаемой жидкости;
) разработана модификация алгоритма метода конечных элементов, базирующаяся на
совместном применении метода контрольных объемов и аппроксимации конвективной
производной вдоль линии тока;
) решены новые задачи и получены новые результаты:
– о плоском циркуляционном вязком течении в квадратной каверне с локально
подвижной крышкой, установлена зависимость ее протяженности и формы перекрытия
на гидродинамические параметры циркуляционного течения;
– о трехмерном вязком течении между торцами призм, тандемом расположенных над
экраном; исследованы основные закономерности формирования его спиральной
структуры;
– о влиянии перемычки в межторцовой области призм, тандемом расположенных над
экраном, на структуру спиралевидного течения и снижение аэродинамического
сопротивления от течения в межторцовой области.
Практическое значение полученных результатов. Разработанная на основе исходных
уравнений гидродинамики и конечноэлементного подхода методика может быть
использована для решения широкого класса краевых задач обтекания движущихся
объектов.
Обоснование и достоверность полученных результатов обеспечивается
использованием фундаментальных моделей механики жидкости и газа, достаточным
согласованием численных результатов с результатами других авторов, полученными
как численными методами, так и экспериментально.
Апробация диссертационной работы. Результаты диссертационной работы
докладывались на:
научных итоговых конференциях Днепропетровского национального университета
имени Олеся Гончара;
Международной научно-методической конференции «Комп’ютерне моделювання»
(Днепродзержинск, );
Х-й Международной научно-технической конференции ученых Украины, России,
Беларуси «Прикладные проблемы механики жидкости и газа» (Севастополь, );
XII-й (Севастополь, ), XIII-й (Севастополь, ), XIV-й (Севастополь,
) и XV-й (Севастополь, ) научных конференциях ученых Украины, России,
Беларуси «Прикладные задачи математики и механики»;
Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых
ученых «Прогрессивные направления развития машино-, приборостроительных
отраслей и транспорта» (Севастополь, );
XI-й Международной конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта»
(Днепропетровск, );
-й (Днепропетровск, ), -й (Днепропетровск, ) Международных
научно-практических конференциях «Проблемы и перспективы развития
железнодорожного транспорта»
объединенном научном семинаре кафедр аэрогидромеханики, прикладной газовой
динамики и тепломассообмена Днепропетровского национального университета имени
Олеся Гончара (Днепропетровск, );
объединенном научном семинаре Института технической механики НАН Украины и НКА
Украины и Днепропетровского национального университета имени Олеся Гончара
(Днепропетровск, ).
Публикации. Результаты научных исследований, составляющих диссертационную
работу, опубликованы в печатной работе, из которых работ (статьи)
опубликованы в сборниках научных трудов (изданий, включенных в перечень ВАК
Украины), - в тезисах докладов конференций.
Личный вклад соискателя. По результатам диссертационного исследования
опубликовано самостоятельных работ [-, -]. В работах с соавторами
постановка задач выполнена совместно, автору диссертационной работы
принадлежит: разработка алгоритма решения задачи, проведение численного
эксперимента, получение и анализ результатов [-]; проведение численных
расчетов, тестирование и анализ результатов [-, ].
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти
разделов, заключения, списка использованных литературных источников. Полный
объем диссертационной работы -  страниц, в том числе: объем основного текста
– страниц,  страниц с рисунками и таблицами, страницы – список