Исторический обзор

• В 1910 году Ричардсон заложил основу численного анализа дифференциальных уравнений в частных производных. Причем он не только оформил теоретическую базу, но и применил ее в практической задаче. Вычисления проводились наемными рабочими

• Роуч, 18

• Роуч, 18

• С появлением ЭВМ и с ростом их производительности и доступности произошел лавинообразный рост исследований в этой области

• В настоящее время вычислительная гидродинамика чрезвычайно широко применяется и в исследовательской, и в инженерной практике в самых различных отраслях науки и техники

• В частности, рассчитывают течения между лопатками турбин и компрессоров, конвективные потоки при охлаждении атомных реакторов, обтекание кузовов автомобилей, воздействие ветра на строительные конструкции, внешнее обтекание летательных аппаратов, и так далее, вплоть до метеорологии, астрофизики (разреженные газопылевые облака и т.п.), течения магмы под землей, крови по артериям. Очевидно, каждая область имеет свою специфику.

Применение в области двс

• В области двигателей внутреннего сгорания можно выделить следующие области практического применения ВГ:

• Усовершенствование конструкций впускного и выпускного коллекторов с целью снижения газодинамических потерь;

• Уменьшение неравномерности распределения заряда по цилиндрам;

• Рациональное использование волновых явлений в ГВТ;

• Увеличение пропускной способности органов газораспределения;

• Доводка конструкций впускных патрубков, клапанов и окон с целью оптимизации вихревого турбулентного движения заряда в цилиндрах;

• Оптимизация фаз газообмена;

• Конструктивная оптимизация каналов и полостей движения охлаждающей жидкости;

• Отработка систем рециркуляции газов (EGR);

• Моделирование систем снижения токсичности отработавших газов и улучшение их проточных частей;

• Снижение шума выхлопа;

• Оптимизация движения воздушных потоков вокруг двигателя с целью улучшения охлаждения и общей компоновки;

• Расчетный анализ новых перспективных рабочих процессов;

• Численное моделирование всего ГВТ от впуска до среза выхлопа с конструктивной оптимизацией отдельных элементов;

• Численное моделирование задач термопрочности, смазки и охлаждения, при котором газодинамический расчет используется для получения граничных условий теплообмена деталей.

• Расчет течений в турбокомпрессорах

Современный уровень

• Универсального рецепта решения газодинамической задачи – не существует

• Поэтому первым этапом любого исследования всегда является сравнение с физическим экспериментом

• Точность моделирования варьируется в достаточно широких пределах в зависимости от решаемой задачи. Для расходных характеристик на не слишком сложной геометрии уместно порядка 1-2%. Для более сложных задач, связанных с турбулентными характеристиками потока, параметрами теплообмена или экологией приемлемы десятки процентов

• Находят применение задачи любой мерности (1, 2, 3х мерные).

• Наиболее актуальны и распространены трехмерные задачи. Современное состояние вычислительной техники позволяет работать с сетками, имеющими миллионы ячеек (впрочем, это требует существенных мощностей, реализуемых на суперкомпьютерах или кластерах). На персональных компьютерах реализуемы (как правило) сетки порядка сотен тысяч ячеек. Однако это зависит кроме прочего от постановки задачи и применяемого метода

• Двумерные задачи активно применялись на заре развития компьютерной техники. Сейчас их применение ограничивается узким кругом специфичных задач, которые могут быть сведены к двумерной постановке. Отметим, что формальная симметричность расчетной области не приводит к симметричности течения, так что погрешности этого допущения могут быть существенны. Двумерная постановка может также применяться для задач совершенствования собственно численных методов, в силу ее большей простоты и наглядности. А так же для задач оптимизации (трехмерная постановка требует слишком много времени и сложна в отношении автоматической перестройки геометрии)

• Одномерные задачи применяются при расчетах течений в протяженных каналах: трубах и т.п. В ДВС, как правило, одномерно решается задача динамического наддува и импульсной системы наддува

• Кроме того, находит применение подход, при котором фрагменты расчетной области рассматриваются в различной мерности, например, каналы в крышке цилиндра дискретизируются в трехмерной постановке, а присоединяющиеся к ним трубопроводы – в одномерной. Это позволяет заметно сократить число ячеек и тем самым увеличить производительность вычислений.