Моделирование турбулентных течений. Белов И.А - 9 стр.

UptoLike

Составители: 

9
x
j
u
j
=0;
x
j
u
0
j
=0
.
(1.3а)
Для давления
p
=
p
+
p
0
,
для трения
ü
jk
=
ü
jk
+
ü
0
j
k
.
Естественно, что
u
0
j
ñ
0
,
p
0
ñ
0
,
ü
0
j
k
ñ
0
.
Следует отметить, что среднее значение
u
i
, несмотря на интег-
рирование по времени:
u
i
(
t, x
j
)=
2
4
t
1
t
+
4
t
t
à4
t
u
i
(
t, x
j
)
dt
может изменяться во времени. Это означает, что период интегрирования
2
4
t
дол-
жен быть малым по сравнению с характерным временем нестационарного измене-
ния
u
i
.
Применяя операцию осреднения во времени к уравнению (1.4а), получим
t
(
úu
k
)+
x
j
(
ú
u
j
u
k
)=
à
x
k
p
+
x
j
(
ü
jk
à
úu
0
u
0
k
)
,
(1.6)
где
à
úu
0
j
u
0
k
- составляющие тензора напряжений Рейнольдса или рейнольдсовых
напряжений. Они являются дополнительными (шестью) неизвестными к гидродина-
мическим параметрам осредненного движения (
u
j
,p
)
. Таким образом, система
уравнений (1.3а) и (1.6) является незамкнутой.
Вопросы замыкания полученной системы уравнений решаются на различном
уровне сложности, и им будет посвящена значительная часть курса. Простейший
путьиспользование эмпирической информации о характеристиках турбулентности,
наиболее сложный заключается в выводе уравнений относительно рейнольдсовых
напряжений.
1.2. Уравнения для рейнольдсовых напряжений
Вывод уравнения для рейнольдсовых напряжений (
à
úu
0
j
u
0
k
) начинается с
преобразования уравнения (1.4а). Умножая его на
u
i
, получим
u
i
(
t
u
k
+
x
j
(
u
j
u
k
)) =
u
i
(
à
ú
1
x
k
p
+
ú
1
x
j
ü
jk
)
.
(1.7)
Поменяем индексы
i
и
k
местами:
u
k
(
t
u
i
+
x
j
(
u
j
u
i
)) =
u
k
(
à
ú
1
x
i
p
+
ú
1
x
j
ü
ji
)
.
(1.8)
Суммируя (1.7) и (1.8), получим
t
(
úu
i
u
k
)+
x
j
(
úu
i
u
k
u
j
)=
à
u
i
x
k
p
à
u
k
x
i
p
+
u
i
x
j
ü
jk
+
u
k
x
j
ü
ji
.(1.9)
В результате осреднения во времени уравнения (1.9) имеем
t
(
úu
i
u
k
)+
t
(
úu
0
i
u
0
k
)+
x
j
(
úu
i
u
j
u
k
+
úu
i
u
0
j
u
0
k
+
+
úu
j
u
0
i
u
0
k
+
úu
k
u
0
i
u
0
j
+
úu
0
i
u
0
j
u
0
k
)=
à
u
i
x
k
p
à
(1.10)
                                                                                                                  9
                                     0
      ∂u j                      ∂u
                                     j
      ∂x j
              = 0;              ∂x j
                                         = 0.                                                            (1.3а)

Для давления              p = p + p 0,      для трения ü jk         = üjk + ü0jk .   Естественно, что    u 0j ñ 0,
p 0 ñ 0, ü 0jk ñ 0.
                 Следует отметить, что среднее значение                                 u i , несмотря на интег-
рирование по времени:
                                                               ⎧ t+4t
                                         u i(t, x j) =    1    ⎭      u i(t, x j)dt
                                                         24t        tà4t
может изменяться во времени. Это означает, что период интегрирования 2 4t дол-
жен быть малым по сравнению с характерным временем нестационарного измене-
ния u i .
   Применяя операцию осреднения во времени к уравнению (1.4а), получим
∂                                                        ∂p
∂t
     (úu k ) + ∂∂x j(ú u j u k ) = à ∂ x k + ∂∂x j(üjk à úu 0ju 0k ),                                    (1.6)
               0    0
где à úu ju k - составляющие тензора напряжений Рейнольдса или рейнольдсовых
напряжений. Они являются дополнительными (шестью) неизвестными к гидродина-
мическим параметрам осредненного движения ( u j, p) . Таким образом, система
уравнений (1.3а) и (1.6) является незамкнутой.
    Вопросы замыкания полученной системы уравнений решаются на различном
уровне сложности, и им будет посвящена значительная часть курса. Простейший
путь – использование эмпирической информации о характеристиках турбулентности,
наиболее сложный заключается в выводе уравнений относительно рейнольдсовых
напряжений.

                            1.2. Уравнения для рейнольдсовых напряжений

                                                                                            0   0
   Вывод уравнения для рейнольдсовых напряжений ( à úu ju k )                                       начинается с
преобразования уравнения (1.4а). Умножая его на u i , получим
       ∂ uk         ∂                                 1 ∂p      1
u i ( ∂ t + ∂ x j(u j u k )) = u i (à ú ∂ x k + ú ∂x∂ j ü jk).                                           (1.7)


Поменяем индексы                i    и   k местами:
   ∂ ui                                                ∂p
uk ∂ t(       +     ∂
                   ∂ xj
                          (u j u i)) = u k (à 1ú ∂ x i + 1ú ∂x∂ jüji).                                   (1.8)

Суммируя (1.7) и (1.8), получим
∂                           ∂                                  ∂p           ∂p         ∂ü           ∂ü
∂t
     (úu iu k ) + ∂x j(úu iu k u j) = à u i∂ x k à u k ∂ x i + u i ∂ xjkj + u k ∂ xjij .(1.9)
В результате осреднения во времени уравнения (1.9) имеем

∂
∂t
   (úu i       u k ) + ∂t∂ (úu 0i u 0k ) + ∂x∂ j(úu i u j u k + úu i u 0j u 0k +
                                                            ∂p
+ úu j u 0i u 0k + úu k u 0iu 0j + ú u 0iu 0ju 0k ) = à u i ∂x k
                                                                 à                                       (1.10)