научная статья по теме ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ КУЭТТА ПРИ НЕБОЛЬШИХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА Математика

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ КУЭТТА ПРИ НЕБОЛЬШИХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2007, том 47, < 4, с. 693-716

УДК 519.634

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ КУЭТТА

ПРИ НЕБОЛЬШИХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА1}

© 2007 г. Б. В. Пальцев, Ä. В. Ставцев, И. И. Чечель

(119991 Москва, ул. Вавилова, 40, ВЦ РАН) e-mail: paltsev@ccas.ru Поступила в редакцию 21.07.2006 г.

Переработанный вариант 24.11.2006 г.

На основе разработанных ранее численных итерационных методов с расщеплением граничных условий решения осесимметричной первой краевой задачи для стационарной системы Навье-Стокса в шаровых слоях проведено исследование основных сферических течений Ку-этта (СТК) вязкой несжимаемой жидкости в широком диапазоне отношения R/r радиусов внешней и внутренней граничных сфер: 1.1 < R/r < 100, осуществлена классификация таких СТК. Найден важный режим баланса в случае противовращения граничных сфер. Методы сходятся при небольших числах Рейнольдса (Re), однако, как показывают сравнения с данными натурных экспериментов, для СТК в тонких шаровых слоях сходятся для значений Re, достаточно близких к Rekp. Они обеспечивают 2-й порядок точности в норме максимума модуля как для скорости, так и для давления и обладают высокими скоростями сходимости при решении краевых задач для систем Стокса, возникающих на простых итерациях по нелинейности. Численными экспериментами, в частности, установлено, что для используемых методов решения нелинейной задачи экстраполяционная процедура Ричардсона обеспечивает увеличение порядков точности для функции тока до 4-го, для скорости - до 3-го, оставляя, однако, порядок точности для давления вторым, но тем не менее ощутимо уменьшая ошибку и для давления. Это свойство использовалось для построения достоверных картин линий уровня функции тока в случае больших значений R/r. Рассмотрен также вопрос о конфигурациях траекторий частиц жидкости. Библ. 12. Фиг. 30. Табл. 2.

Ключевые слова: основные сферические течения Куэтта, классификация, стационарная система Навье-Стокса, несжимаемая жидкость, методы с расщеплением граничных условий, шаровые слои, экстраполяция Ричардсона, траектории частиц.

ВВЕДЕНИЕ

Данная статья посвящена численному исследованию задачи о стационарных течениях вязкой несжимаемой жидкости в шаровом слое

Q. = {x = (Xj, x2, x3) : x e [R3, r < p =f |x| < R} (1)

в случае, когда внутренняя и внешняя граничные сферы

Г = {x : |x| = r} и Ге = {x : |x| = R}, Г = Г и Ге, (2)

вращаются относительно одной и той же оси, например Ox3, с некоторыми угловыми скоростями roi и юе соответственно. Для определенности условимся, что положительность значения угловой скорости сферы соответствует вращению этой сферы против хода часовой стрелки, если смотреть на нее с положительной части оси Ox3. Такие течения жидкости называются сферическими течениями Куэтта (СТК).

Экспериментальному, численному и теоретическому изучению таких, а также и аналогичных нестационарных течений, разработке численных методов их расчета ввиду, в частности, и их практической значимости посвящено значительное количество работ разных авторов. Не задаваясь целью привести какой-либо обзор этих работ, сошлемся лишь на хорошо известный обзор [1], а также на сборник [2], по имеющимся ссылкам в ряде статей которого читатель может составить некоторый список более поздних, чем в [1], работ.

1) Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 05-01-00725).

Скорость и и давление р в СТК являются решением следующей краевой задачи в О: (и, V)и - vAu +gradр = 0, и = 0 в О,

и| г = «,[ е, X ]|г, и|, = [ ез, х ]|г, /р* = 0, (3)

О

где V > 0 - кинематический коэффициент вязкости, [е3, х] - векторное произведение единичного вектора е3 декартовой системы и вектора х = (х1, х2, х3).

Как хорошо известно (см., например, [3] и [4]), задача (3), как и более общая первая краевая задача для стационарной системы Навье-Стокса в ограниченной области (с границей, удовлетворяющей некоторым условиям гладкости), имеет по крайней мере одно обобщенное решение, гладкость которого повышается с повышением гладкости данных задачи. При достаточно малых значениях числа Рейнольдса

Яе = (4)

где I - характерный размер области, и^ - характерное значение скорости течения, такое решение единственно и устойчиво, если его рассматривать как положение равновесия для соответствующей начально-краевой задачи для нестационарной системы Навье-Стокса в области О. В этом случае течение обычно называют основным СТК.2)

С возрастанием же числа Рейнольдса (при фиксированнй области), как было обнаружено вначале натурными экспериментами, а затем подтверждено и численными работами, возникают различного характера явления, порождаемые нелинейностью задачи, такие как потеря устойчивости основного течения, образование так называемых вторичных течений - течений с дополнительными вихрями Тейлора-Куэтта в экваториальной зоне, также устойчивых, причем иногда одновременно с основным СТК, бифуркации на спиральные вихри Тейлора-Гертлера и т.п. и, наконец, переход к хаосу. Выяснение механизмов образования таких явлений и создание достоверных методов их расчета представляет значительный интерес и связано с огромными математическими и вычислительными трудностями. По большинству возникающих здесь вопросов до сих пор не имеется достаточной ясности.

Для численного изучения задачи о СТК, как стационарной, так и нестационарной, обычно используются либо спектральные, либо конечно-разностные методы, причем при формулировке задачи (в режиме осесимметричности) в основном в переменных "функция тока - соответствующая компонента вихря". В случае методов, оперирующих в физических переменных "скорость-давление", возникает проблема с аппроксимацией граничного условия для давления, а в случае методов с использованием переменных, включающих функцию тока, имеет место проблема с аппроксимацией граничного условия для ф-компоненты вихря.

В настоящей работе проводится достаточно подробное численное изучение, а также классификация только основных СТК на основе разработанных и исследованных в [5]-[7] эффективных новых итерационных численных методов с расщеплением граничных условий (ГУ) решения осесимметричной первой краевой задачи для стационарной системы Навье-Стокса в шаровых слоях. Каждый из этих методов состоит из итераций двух типов: внешние - итерации метода последовательных приближений для задачи вида (3), когда конвективные члены (и, V)u вычисляются с предыдущей внешней итерации, и внутренние итерации - для решения возникающей на каждой внешней итерации первой краевой задачи для линейной системы Стокса. В [6] должным образом построены достаточно простые конечно-элементные (КЭ-) аппроксимации упомянутых выше конвективных членов. Итерационные численные методы с расщеплением ГУ для решения первой осесимметричной краевой задачи для системы Стокса в шаровых слоях разработаны в [5] и [7]. Созданный в [5] численный метод представляет собой удачным образом построенную КЭ-реализацию предложенного и обоснованного на дифференциальном уровне в [8] итерационного процесса с тремя релаксационными параметрами, алгоритмы вычисления оптимальных значений которых приведены в [7]. Этот метод, как показали численные исследования в [7], оказывается наиболее эффективным в случае 1 < Я/т < 25-27. Для случая же Я/т > 25-27 в [7] построен другой, более эффективный и даже более простой итерационный процесс с расщеп-

2) Под основным СТК понимают также и такое устойчивое течение, которое может быть получено при непрерывном возрастании угловых скоростей в задаче (3) с сохранением структуры картин линий уровня функции тока в меридиональной плоскости от очень малых значений юг- и юе, при которых имеет место единственность решения, до значений, при которых имеется и другое стационарное решение задачи (3).

лением ГУ, а также его КЭ-реализация, аналогичная построенной в [5]. Этот последний метод зависит всего лишь от одного релаксационного параметра, оптимальные значения которого тривиально вычисляются.

Методы решения первой краевой задачи для системы Стокса, разработанные в [5] и [7], обладают следующими важными достоинствами.

1. Они оперируют в физических переменных "скорость-давление" и в пределе итераций правильно выстраивают граничное значение Эр/Эп|г, а вместе с этим и решение всей задачи.

2. На итерациях они приводят к расщепленным и вспомогательным эллиптическим краевым задачам, существенно более простым, чем исходная.

3. Обладают высокими скоростями сходимости, обеспечивая при рекомендованном выше использовании того или иного метода (в зависимости от величины R/r) уменьшение ошибки за 1 итерацию не менее чем в 8.9 раза.

4. При аппроксимации и скоростей и давления одними и теми же специально разработанными конечными элементами типа билинейных (см. [5], [9]) обеспечивается 2-й порядок точности по шагу сетки в норме максимума модуля численных решений, причем как для скорости, так и для давления. При этом не требуется выполнения каких-либо дополнительных условий согласования аппроксимаций для u и для p типа известного трудно проверяемого условия устойчивости Ла-дыженской-Брецци-Бабушки.

5. Итерации методов хорошо сочетаются с итерациями (V-циклами) многосеточного метода Р.П. Федоренко, применяемого для разрешения КЭ-расщепленных и вспомогательных задач (см. [7]). Это обеспечивает и реально высокую скорость сходимости разработанных методов.

В целом же созданные методы и для нелинейной системы Навье-Стокса, как установлено численными экспериментами, также обеспечивают (тогда, когда они сходятся) 2-й порядок точности численных решений в норме максимума модуля и для скорости, и для давления, причем вплоть как до оси симметрии, так и до граничных сфер.

Естественно, используемые методы для стационарной системы Навье-Стокса, основанные на простейшем методе последовательных приближений, сходятся при небольших числах Рейнольд-са. Однако, как показывают сравнения с известными результатами натурных экспериментов, для СТК в тонких шаровых слоях при вращении только внутренней сферы они сходятся в области, близкой к области докритических знач

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком