Laboratoř výpočetní mechaniky tekutin
|
Oddělení: Oddělení D 1 – Dynamika tekutin Vedoucí: RNDr. MgA. Jan Pech, Ph.D. |
|
Tým laboratoře se zabývá modelováním a počítačovými simulacemi proudění tekutin. Výsledky vznikají v oblasti simulací obtékání turbínových lopatek a aerodynamických profilů, přenosu tepla proudící tekutinou a dopadů změn materiálových parametrů na vírové struktury proudění. Různorodé režimy proudění vyžadují zvláštní přístupy k jejich matematickému modelování, což přináší specifické požadavky na výpočetní metody. Kromě aplikací pro technická řešení se tak laboratoř zabývá vývojem vlastních numerických algoritmů. Práce probíhají jak na vlastním kódu pro simulace turbulentního proudění metodou konečných objemů, na vývoji a implementaci algoritmů pro metody spectral/hp konečných prvků (open-source knihovna Nektar++), metodou konečných objemů v open-source kódu OpenFOAM, tak pomocí komerčních kódů u některých aplikací. Laboratoř spolupracuje s vysokými školami v ČR (Matematicko-fyzikální fakulta UK, ČVUT, TU Liberec) i zahraničí (Imperial College London, University of Utah). |
RNDr. MgA. Jan Pech, Ph.D. – vedoucí laboratoře, specializace na Spectral/hp konečné prvky, vývoj kódu Nektar++, proudění tekutin, přenos tepla tekutinou a vliv teplotních změn na struktury proudění
prof. Ing. Jaromír Příhoda, CSc., doc. Ing. Petr Louda, Ph.D. – vývoj modelů turbulence, vývoj vlastního specializovaného kódu na bázi metody konečných objemů, špičkové aplikace s využitím v průmyslu turbostrojů
Ing. Josef Musil – simulace proudění v lopatkových mřížích, aplikace kódu OpenFOAM
Studentské pozice
Bc. David Jiříček – implementace modelu turbulence do řešiče nestlačitelného proudění na platformě Nektar++
Mgr. Pavlo Kosiak – aplikace v kódu ANSYS
Práce laboratoře výpočetní mechaniky tekutin spočívá v numerickém řešení problémů, jejichž zadání většinou přichází z experimentálně orientovaných laboratoří oddělení. Jde především o zvolení vhodného matematického modelu a příslušné metody výpočtu. Laboratoř sdružuje odborníky na specifické problémy řešené v ostatních laboratořích.
Výpočetní mechanika tekutin se rychle rozvíjí spolu s výpočetními technologiemi. Přesto v tomto odvětví nalezneme širokou škálu dlouhodobě otevřených problémů, z nichž nejvýraznějším je problém modelování turbulence. Přesto, že tento jev není dodnes do důsledku objasněný, jeho projevy mají zásadní dopady v technických aplikacích. Oddělení dynamiky tekutin se touto problematikou zabývá od svého vzniku a hned na několika úrovních prostorových měřítek (viz ostatní laboratoře). Zkoumání turbulentních jevů tak dominuje i v simulacích laboratoře výpočetní.
Řada výsledků laboratoře se váže přímo na vývoj modelů turbulence (prof. Příhoda) a jejich implementace ve vlastním specializovaném kódu (doc. Louda). Aplikace pak směřují např. k novým návrhům tvaru lopatek turbín a kompresorů. Rychlosti proudění v těchto případech jsou mnohdy srovnatelné s rychlostí zvuku, což vede ke vzniku rázových vln, jak je vidět na ilustracích níže, kde srovnáváme zobrazení získané experimentálně ve vysokorychlostním aerodynamickém tunelu Laboratoře vnitřních proudění (obr. 1) a výsledek simulace (On the modelling turbulent transition in turbine cascades with flow separation, Computers and Fluids, 181, 160–172, 2019, ISSN 1003-2169).
Obr. 1. Zobrazení rázových vln, které se mohou objevit v proudění v mezilopatkových kanálech konkrétních turbínových strojů. Experimentální výsledek z vysokorychlostního aerodynamického tunelu.
Obr. 2. Vizualizace proudění jako výsledek numerické simulace stlačitelného proudění z vlastního kódu.
Pro modelování proudění, kde významnou roli hraje stlačitelnost, se ve výpočetní laboratoři dlouhodobě a s velkou tradicí vyvíjí turbulentní modely implementované do struktur založených na metodě konečných objemů. Tato metoda má v ČR silné zázemí v široké vědecké komunitě, která zahrnuje i další ústavy AV ČR a vysoké školy. Kromě zmíněného vlastního kódu tak pracovníci laboratoře užívají ve svých simulacích kódy tzv. open-source platforem (OpenFOAM), ale pro rychlé odhady i komerční kód balíku ANSYS. Z nejnovějších metod, jejichž ambicí je bez dodatečných modelů simulovat proudění do nejmenších struktur, zmiňme aplikace nespojité Galerkinovy metody, která je v Laboratoři vyvíjena a aplikována na platformě dalšího open-source kódu Nektar++.
U úloh řešitelných přímou simulací posunujeme hranice dosažené přesnosti. To se týká především nestacionárního proudění tekutin při nižších rychlostech, kdy dochází k přenosu tepla. Široké spektrum aplikací od tepelných výměníků až po detailním studium proudění v okolí měřících sond klade vysoké nároky právě na vysokou přesnost numerického výsledku. V této oblasti nachází uplatnění např. v naší laboratoři vyvinuté schéma pro metodu spektrálních/hp konečných prvků (Scheme for Evolutionary Navier-Stokes-Fourier System with Temperature Dependent Material Properties Based on Spectral/hp Elements. ICOSAHOM 2018, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, vol. 134. Springer).
Obr. 3. Rozložení teploty v proudu tekutiny jako výsledek simulace proudění kolem ohřátého válce (metoda spektrálních elementů-aproximace polynomem 50. stupně).
Vysoká přesnost výpočtu může posunout poznání i dalších náročných procesů, které dosud nelze úplně popsat experimentálně, což je např. odtrhávání proudu v mezní vrstvě u obtékaných povrchů a vznik turbulentních struktur.
Obr. 4. Detail mezní vrstvy při simulaci experimentálně nezobrazitelného odtrhávání proudu na zakřiveném povrchu.
V případech, kdy je možné uplatnit více výpočetních metod, jednotlivé přístupy porovnáváme (Comparison of Finite Volume and Spectral/HP Methods on Navier-Stokes Equations for Unsteady Incompressible Flow, Topical Problems of Fluid Mechanics 2018).