МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКЕ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ РЕШЕНИИ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

Волков Константин Николаевич

2014 , ТОМ 14, НОМЕР 3 ( МАЙ-ИЮНЬ )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

УДК 532.529

МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКЕ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ РЕШЕНИИ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

Волков К.Н.

Читать статью полностью

Аннотация

Рассматриваются концепции и методы визуального представления результатов численных исследований задач механики жидкости и газа. Трехмерность моделируемого нестационарного течения создает существенные трудности для визуального представления результатов, затрудняя контроль и понимание численных данных, а также работу и обмен с полученной информацией о поле течения. Обсуждаются подходы к визуализации вихревых течений с использованием градиентов основных и производных скалярных и векторных полей. Дается обзор методов визуализации вихревых течений, использующих различные определения вихря и критерии его идентификации. Приводятся примеры визуализации решений ряда задач газовой динамики, связанных с расчетами течений в струях и в кавернах. Развиваются представления о вихревой структуре свободной неизотермической струи и формировании когерентных вихревых структур в слое смешения. Проводится анализ закономерностей формирования пространственных потоков внутри крупномасштабных вихревых структур в пределах замкнутого пространства кубической каверны с подвижной стенкой. На основе численных расчетов находятся особые точки вихревого течения жидкости в кубической каверне, определяется их тип и местоположение в зависимости от числа Рейнольдса. Расчеты проводятся с использованием подробных сеток и современных подходов к моделированию вихревых течений (прямое численное моделирование и моделирование крупных вихрей). Для визуального представления результатов численного моделирования применяется парадигма графического программирования и виртуальная среда COVISE. Приложение, реализующее визуализацию задачи, представляется в виде сети, звеньями которой являются модули, каждый из которых предназначен для решения специфической задачи. Взаимодействие между модулями осуществляется при помощи входных и выходных портов (прием и передача данных), что позволяет использовать различные устройства ввода и вывода данных.

Ключевые слова: научная визуализация, вычислительная газовая динамика, вихрь, турбулентность, струя, каверна

Список литературы

1. kahashi K. Aeronautical CFD in the age of petaflops-scale computing: from unstructured to Cartesian meshes // European Journal of Mechanics. B/Fluids.2013. V. 40. P. 75–86.

2. Бондарев А.Е., Галактионов В.А., Чечеткин В.М. Анализ развития концепций и методов визуального представления данных в задачах вычислительной физики // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2011. Т. 51. № 4. С. 669–683.

3. Jiang M., Machiraju R., Thompson D. Detection and visualization of vortices // Visualization Handbook. Burlington: Elsevier, 2005. P. 295–309.

4. Turk G., Banks D. Image-guided streamline placement // Proceedings of the ACM SIGGRAPH Conference on Computer Graphics. New Orleans, USA, 1996. P. 453–460.

5. Mebarki A., Alliez P., Devillers O. Farthest point seeding for efficient placement of streamlines // Proceedings of IEEE Visualization Conference. 2005. Art. N 1566043. P. 61.

6. Liu Z., Moorhead R.J., Groner J. An advanced evenly-spaced streamline placement algorithm // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 2006. V. 12. N 5. P. 965–972.

7. Spencer B., Laramee R.S., Chen G., Zhang E. Evenly spaced streamlines for surfaces: an image-based approach // Computer Graphics Forum. 2009. V. 28. N 6. P. 1618–1631.

8. Hultquist J.P.M. Constructing stream surfaces in steady 3D vector fields // Proceedings of IEEE Visualization Conference. Boston, USA, 1992. P. 171–178.

9. Garth C., Tricoche X., Salzbrunn T., Bobach T., Scheuermann G. Surface techniques for vortex visualization // Proceedings of the 6th Joint IEEE TCVG-EUROGRAPHICS Symposium on Visualization. 2004. P. 155–164.

10. Garth C., Krishnan H., Tricoche X., Bobach T., Joy K.I. Generation of accurate integral surfaces in time-dependent vector fields // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 2008. V. 14. N 6. P. 1404–1411.

11. Krishnan H., Garth C., Joy K.I. Time and streak surfaces for flow visualization in large time-varying data sets // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 2009. V. 15. N 6. Art. N5290738. P. 1267–1274.

12. Theisel H., Weinkauf T., Hege H.-C., Seidel H.-P. Topological methods for 2D time-dependent vector fields based on stream lines and path lines // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 2005. V. 11. N 4. P. 383–394.

13. van Wijk J.J. Spot noise texture synthesis for data visualization // ACM Siggraph Computer Graphics. 1991. V. 25. N 4. P. 309–318.

14. Cabral B., Leedom L. Imaging vector fields using line integral convolution // Proceedings of the ACM SIGGRAPH Conference on Computer Graphics. Ahaneim, USA. New York: ACM, 1993. P. 263–270.

15. Shen H.-W., Kao D.L. A new line integral convolution algorithm for visualizing time-varying flow fields // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 1998. V. 4. N 2.P. 98–108.

16. Max N., Becker B. Flow visualization using moving textures / In: Data Visualization Techniques. John Wiley & Sons, 1999. P. 99–105.

17. Helgeland A., Andreassen O. Visualization of vector fields using seed LIC and volume rendering // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 2004. V. 10. N 6. P. 673–682.

18. Haller G. An objective definition of a vortex // Journal of Fluid Mechanics. 2005. V. 525. P. 1–26.

19. Lugt H.J. The dilemma of defining a vortex // In: Recent Developments in Theoretical and Experimental Fluid Mechanics. Berlin: Springer, 1979. P. 309–321.

20. Jeong J., Hussain F. On the identification of a vortex // Journal of Fluid Mechanics. 1995. V. 285. P. 69–94.

21. Cucitore R., Quadrio M., Baron A. On the effectiveness and limitations of local criteria for the identification of a vortex // European Journal of Mechanics. B/Fluids. 1999. V. 18. N 2. P. 261–282.

22. Levy Y., Degani D., Seginer A. Graphical visualization of vortical flows by means of helicity // AIAA Journal. 1990. V. 28. N 8. P. 1347–1352.

23. Berdahl C.H., Thompson D.S. Eduction of swirling structure using the velocity gradient tensor // AIAA Journal. 1993. V. 31. N 1. P. 97–103.

24. Hunt J.C.R., Wray A., Moin P. Eddies, stream, and convergence zones in turbulent flows // Report CTR-S88. Center for Turbulence Research, Stanford, USA, 1988. P. 193–208.

25. Chong M.S., Perry A.E., Cantwell B.J. A general classification of three-dimensional flow field // Physics of Fluids A. 1990. V. 2. N 5. P. 765–777.

26. Tabor M., Klapper I. Stretching and alignment in chaotic and turbulent flows // Chaos, Solitons and Fractals. 1994. V. 4. N 6. P. 1031–1055.

27. Banks D.C., Singer B.A. Predictor–corrector technique for visualizing unsteady flow // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 1995. V. 1. N 2. P. 151–163.

28. Sujudi D., Haimes R. Identification of swirling flow in 3D vector fields // Proc. of 12th Computational Fluid Dynamics Conference. 1995. P. 792.

29. Roth M., Peikert R. Higher-order method for finding vortex core lines // Proceedings of IEEE Visualization Conference. Research Triangle Park, NC, USA, 1998. P. 143–150.

30. Strawn R.C., Kenwright D.N., Ahmad J. Computer visualization of vortex wake systems // AIAA Journal. 1999. V. 37. N 4. P. 511–512.

31. Sadarjoen I.A., Post F.H., Ma B., Banks D.C., Pagendarm H.-G. Selective visualization of vortices in hydrodynamic flows // Proceedings of IEEE Visualization Conference. Research Triangle Park, NC, USA, 1998. P. 419–422.

32. Jiang M., Machiraju R., Thompson D.S. A novel approach to vortex core region detection // Proc. of Joint Eurographics-IEEE TCVG Symposium on Visualization. Vienna, 2002. P. 217–225.

33. Волков К.Н. Топология течения вязкой несжимаемой жидкости в кубической каверне с подвижной крышкой // Инженерно-физический журнал. 2006. Т. 79. № 2. С. 86–91.

34. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) / Под ред. А.В. Ермишина и С.А. Исаева. М.: Изд-во МГУ, 2001. 360 с.

35. Xu B.P., Wen J.X., Volkov K.N. Large-eddy simulation of vorticalstructures in a forced plane impinging jet // European Journal of Mechanics. B/Fluids. 2013. V. 42. P. 104–120.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License