hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Scienceshydrophysics-970Research ArticleГИДРОАКУСТИКАHYDROACOUSTICSМоделирование крупных вихрей в задачах гидрофизики и гидроакустикиLarge-eddy Simulation in Hydrophysical and Hydroacoustic ProblemsВолковК. Н.VolkovK.

Санкт-Петербург

yaiv@mail.ruЕмельяновВ. Н.EmelyanovV.

Санкт-Петербург

КуроваИ. В.KurovaI.

Санкт-Петербург

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. УстиноваRussian Federation201027112022032238Copyright © Волков К.Н., Емельянов В.Н., Курова И.В., 20222022Волков К.Н., Емельянов В.Н., Курова И.В.Volkov K., Emelyanov V., Kurova I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/970

Рассмотрены возможности использования метода моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation, LES) для решения задач гидрофизики и гидроакустики. Приводятся решения ряда модельных задач (течение в слое смешения, течение в дозвуковой неизотермической турбулентной струе, истекающей из круглого сопла в затопленное пространство, аэрооптические эффекты в турбулентных потоках). Результаты расчетов сравниваются с данными, полученными на основе решения осреденных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса и уравнений k - ε модели турбулентности, а также с имеющимися данными физического эксперимента. Делаются выводы о перспективах использования данного подхода в задачах гидрофизики и гидроакустики.

Applications of large-eddy simulation (LES) technique to the solution of problems of hydrophysics and hydroacoustics are considered. Solutions of some model problems (free mixing layer, free sub-sonic nonisothermal turbulent jet flowing out of circular nozzle into submerged space, and aero-optical effects in turbulent flows) are presented. The results obtained are compared to the data calculated with the numerical solution of the Reynolds-averaged Navier–Stokes equations and equations of the k–ε turbulence model, as well as to the available experimental data. The conclusions related to the perspectives of use of this technique in the problems of hydrophysics and hydroacoustics are made.

турбулентностьмоделирование крупных вихрейрасчет течений жидкостиструяслой смешенияturbulencelarge-eddy simulationcomputational fluid dynamicsjetmixing layerReferencesКорчагин Н.Н., Монин А.С. Мезоокеанология. М.: Море, 2004. 176 с.Корчагин Н.Н., Монин А.С. Мезоокеанология. М.: Море, 2004. 176 с.Семенов Е.В. Состояние и развитие гидродинамических моделей океана // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2008. № 1. С.48–62.Семенов Е.В. Состояние и развитие гидродинамических моделей океана // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2008. № 1. С.48–62.Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М.: Физматлит, 2008. 356 с.Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М.: Физматлит, 2008. 356 с.Germano M. Turbulence: the filtering approach // Journal of Fluid Mechanics. 1992. V.238. P.325–336.Germano M. Turbulence: the filtering approach // Journal of Fluid Mechanics. 1992. V.238. P.325–336.Piomelli U. Large-eddy simulation: achievements and challenges // Progress in Aerospace Sciences. 1999. V.35. No4. P.335-362.Piomelli U. Large-eddy simulation: achievements and challenges // Progress in Aerospace Sciences. 1999. V.35. No4. P.335-362.Martin M.P., Piomelli U., Candler G.V. Subgrid-scale models for compressible large-eddy simulations // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2000. V.13. No5. P.361–376.Martin M.P., Piomelli U., Candler G.V. Subgrid-scale models for compressible large-eddy simulations // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2000. V.13. No5. P.361–376.Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations // Monthly Weather Review. 1963. V.91. No3. P.99–165.Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations // Monthly Weather Review. 1963. V.91. No3. P.99–165.Yakhot A., Orszag S.A., Yakhot V., Israeli M. Renormalization group formulation of large-eddy simulation // Journal of Scientific Computing. 1986. V.1. No1. P.1–51.Yakhot A., Orszag S.A., Yakhot V., Israeli M. Renormalization group formulation of large-eddy simulation // Journal of Scientific Computing. 1986. V.1. No1. P.1–51.Germano M., Piomelli U., Moin P., Cabot W.H. A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model // Physics of Fluids. 1991. V.3. No7. P.1760–1765.Germano M., Piomelli U., Moin P., Cabot W.H. A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model // Physics of Fluids. 1991. V.3. No7. P.1760–1765.Horiuti K. Backward scatter of subgrid-scale energy in wall-bounded and free shear turbulence // Journal of Physical Society of Japan. 1997. V.66. No1. P.91–107.Horiuti K. Backward scatter of subgrid-scale energy in wall-bounded and free shear turbulence // Journal of Physical Society of Japan. 1997. V.66. No1. P.91–107.Yoshizawa A., Horiuti K. A statistically-derived subgrid-scale kinetic energy model for the large eddy simulation of turbulent flows // Journal of Physical Society of Japan. 1985. V.54. No8. P.2834–2839.Yoshizawa A., Horiuti K. A statistically-derived subgrid-scale kinetic energy model for the large eddy simulation of turbulent flows // Journal of Physical Society of Japan. 1985. V.54. No8. P.2834–2839.Волков К.Н. Дискретизация уравнений Навье-Стокса на неструктурированной сетке при помощи метода контрольного объема и разностных схем повышенной разрешающей способности // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2008. Т.48. № 7. С.1250–1273.Волков К.Н. Дискретизация уравнений Навье-Стокса на неструктурированной сетке при помощи метода контрольного объема и разностных схем повышенной разрешающей способности // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2008. Т.48. № 7. С.1250–1273.Волков К.Н. Применение средств параллельного программирования для решения задач механики жидкости и газа на многопроцессорных вычислительных системах // Вычислительные методы и программирование. 2006. Т.7. С.69–84.Волков К.Н. Применение средств параллельного программирования для решения задач механики жидкости и газа на многопроцессорных вычислительных системах // Вычислительные методы и программирование. 2006. Т.7. С.69–84.Шур М.Л., Спаларт Ф.Р., Стрелец М.Х. Расчет шума сложных струй на основе "первых принципов" // Математическое моделирование. 2007. Т.19. № 7. С.5–27.Шур М.Л., Спаларт Ф.Р., Стрелец М.Х. Расчет шума сложных струй на основе "первых принципов" // Математическое моделирование. 2007. Т.19. № 7. С.5–27.Волков К.Н. Расчет свободного слоя смешения на основе метода крупных вихрей // Математическое моделирование. 2007. Т.19. № 9. С.114–128.Волков К.Н. Расчет свободного слоя смешения на основе метода крупных вихрей // Математическое моделирование. 2007. Т.19. № 9. С.114–128.Волков К.Н. Моделирование крупных вихрей неизотермической турбулентной струи, истекающей в затопленное пространство // Теплофизика высоких температур. 2008. Т.46. № 5. С.690–699.Волков К.Н. Моделирование крупных вихрей неизотермической турбулентной струи, истекающей в затопленное пространство // Теплофизика высоких температур. 2008. Т.46. № 5. С.690–699.Волков К.Н., Емельянов В.Н. Аэрооптические эффекты в турбулентном потоке и их моделирование // Журнал технической физики. 2008. Т.78. № 2. С.77–84.Волков К.Н., Емельянов В.Н. Аэрооптические эффекты в турбулентном потоке и их моделирование // Журнал технической физики. 2008. Т.78. № 2. С.77–84.Goebel S.G., Dutton J.C. Experimental study of compressible turbulent mixing layers // AIAA Journal. 1991. V.29. No4. P.538–546.Goebel S.G., Dutton J.C. Experimental study of compressible turbulent mixing layers // AIAA Journal. 1991. V.29. No4. P.538–546.Stanley S., Sarkar S. Simulations of spatially developing two-dimensional shear layers and jets // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 1997. V.9. No2. P.121–147.Stanley S., Sarkar S. Simulations of spatially developing two-dimensional shear layers and jets // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 1997. V.9. No2. P.121–147.Elliott G.S., Samimy M. Compressibility effects in free shear layers // Physics of Fluids. 1990. V.2. No7. P.1231–1240.Elliott G.S., Samimy M. Compressibility effects in free shear layers // Physics of Fluids. 1990. V.2. No7. P.1231–1240.Papamoschou D., Roshko A. The compressible turbulent shear layer: an experimental study // Journal of Fluid Mechanics. 1988. V.197. P.453–477.Papamoschou D., Roshko A. The compressible turbulent shear layer: an experimental study // Journal of Fluid Mechanics. 1988. V.197. P.453–477.Antonia R.A., Prabhu A., Stephenson S.E. Conditionally sampled measurements in a heated turbulent jet // Journal of Fluid Mechanics. 1975. V.72. P.455–480.Antonia R.A., Prabhu A., Stephenson S.E. Conditionally sampled measurements in a heated turbulent jet // Journal of Fluid Mechanics. 1975. V.72. P.455–480.Chevray R., Tutu N.K. Intermittency and preferential transport of heat in a round jet // Journal of Fluid Mechanics. 1978. V.88. P.133–160.Chevray R., Tutu N.K. Intermittency and preferential transport of heat in a round jet // Journal of Fluid Mechanics. 1978. V.88. P.133–160.Chua L.P., Antonia R.A. Turbulent Prandtl number in a circular jet // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1990. V.33. No2. P.331–339.Chua L.P., Antonia R.A. Turbulent Prandtl number in a circular jet // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1990. V.33. No2. P.331–339.Gazzah M.H., Sassi M., Sarh B., Gokalp I. Numerical simulation of variable density subsonic turbulent jets by using the $k$-–$varepsilon$ model // International Journal of Thermal Sciences. 2002. V.41. No1. P.51– 62.Gazzah M.H., Sassi M., Sarh B., Gokalp I. Numerical simulation of variable density subsonic turbulent jets by using the $k$-–$varepsilon$ model // International Journal of Thermal Sciences. 2002. V.41. No1. P.51– 62.Launder B.E., Morse A., Rodi W., Spalding D.B. Prediction of free shear flows. A comparison of the performance of six turbulence models // Free Turbulent Shear Flows. NASA Report. 1973. No.SP-321. P.361– 422.Launder B.E., Morse A., Rodi W., Spalding D.B. Prediction of free shear flows. A comparison of the performance of six turbulence models // Free Turbulent Shear Flows. NASA Report. 1973. No.SP-321. P.361– 422.Gordeyev S., Jumper E.J. Aero-optical characteristics of compressible, subsonic turbulent boundary layers // AIAA Paper. 2003. No2003-3606. 11 p.Gordeyev S., Jumper E.J. Aero-optical characteristics of compressible, subsonic turbulent boundary layers // AIAA Paper. 2003. No2003-3606. 11 p.Siegenthaler J.P., Gordeyev S., Jumper E. Shear layers and aperture effects for aero-optics // AIAA Paper. 2005. No2005-4772. 11 p.Siegenthaler J.P., Gordeyev S., Jumper E. Shear layers and aperture effects for aero-optics // AIAA Paper. 2005. No2005-4772. 11 p.Dimotakis P.E., Catrakis H.J., Fourguette D.C. Flow structure and optical beam propagation in high- Reynolds-number gas-phase shear layers and jets // Journal of Fluid Mechanics. 2001. V.433. P.105–134.Dimotakis P.E., Catrakis H.J., Fourguette D.C. Flow structure and optical beam propagation in high- Reynolds-number gas-phase shear layers and jets // Journal of Fluid Mechanics. 2001. V.433. P.105–134.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.