Динамика и структура стратифицированного течения около горизонтальной пластины

Abstract

Расчет двухмерной задачи обтекания непроницаемого препятствия потоком непрерывно стратифицированной несжимаемой жидкости выполнен методом конечных объемов на основе программ собственной разработки, дополняющих открытый вычислительный пакет OpenFOAM, с использованием высокопроизводительных кластерных систем. Изучена структура и динамика стратифицированного течения около обтекаемой горизонтальной пластины в широком диапазоне чисел Фруда и Рейнольдса. Эффекты стратификации оказывают существенное влияние на динамические характеристики течения и даже могут приводить к смене знака интегральной подъемной силы, действующей на обтекаемую поверхность. В пределе больших значений числа Фруда, когда осуществляется равномерный переход к приближению однородной жидкости, все характеристики течения сходятся к решению, при котором различные масштабы изменчивости тонкоструктурных компонент теряют свои индивидуальные признаки и становятся неразличимыми.

Розрахунок двовимiрної задачi обтiкання непроникної перешкоди потоком неперервно стратифiкованої нестисливої рiдини виконано методом кiнцевих об’ємiв на основi програм власної розробки, що доповнюють вiдкритий обчислювальний пакет OpenFOAM, з використанням високопродуктивних кластерних систем. Вивчено структуру i динамiку стратифiкованої течiї навколо обтiчної горизонтальної пластини в широкому дiапазонi чисел Фруда i Рейнольдса. Ефекти стратифiкацiї iстотно впливають на динамiчнi характеристики течiї i навiть можуть приводити до змiни знака iнтегральної пiдйомної сили, що дiє на обтiчну поверхню. У граничному випадку великих значень числа Фруда, коли здiйснюється рiвномiрний перехiд до наближення однорiдної рiдини, всi характеристики течiї сходяться до розв’язку, при якому рiзнi масштаби мiнливостi тонкоструктурних компонент втрачають свої iндивiдуальнi ознаки i стають нерозрiзненими.

Computations of the two-dimensional problem of a continuously stratified incompressible fluid flow around an impermeable obstacle are carried out by the finite volume method based on the package OpenFOAM and the own programs, by using high-performance cluster systems. The structure and the dynamics of the stratified flow around a horizontal plate are studied in a wide range of Froude and Reynolds numbers. The stratification effects have a significant influence on the dynamic characteristics of the flow and may even lead to a change in the sign of the integral lift force acting on plate’s surface. In the extreme case of large Froude numbers, when the transition to the homogeneous fluid approximation occurs, the flow characteristics converge to a solution, in which a number of fine-structure components lose their individual properties and become indistinguishable.