Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2014
Ключевые слова: процессы переноса, вихревые течения, вихревые двухфазные струи, турбулентные закрученные реагирующие многофазные потоки, пленочные волновые течения, локальные и полевые методы лазерной диагностики, численное моделирование, энергоэффективные вихревые технологии, экологически чистая теплоэнергетика
Аннотация: В 2014 отчетном году проведена систематизация сведений об исследуемой проблеме, выполнен сравнительный анализ и обоснование методов исследования нестационарных вихревых течений. Установлено, что в настоящее время разностороннее применение закрученных потоков и вихревых технологий опережает процесс их детального исследования. Одна иПоказать полностьюз проблем использования вихревых устройств связана с потерей устойчивости осесимметричных закрученных потоков и возникновением в них разного рода сложных трехмерных нестационарных структур, существенно влияющих на все процессы в вихревых аппаратах. Обычно считается, что закрутка потока должна увеличивать тепломассообмен со стенками реакторов за счет увеличения длины траекторий частиц и их времени пребывания в реакторе. Однако в некоторых экспериментах было обнаружено аномальное свойство - уменьшения обменных процессов после закрутки. Одно из объяснений было связано с возможностью генерации потоков с разным типом винтовой симметрии поля завихренности: течения с правовинтовым вихрем уменьшали обменные процессы по сравнению с незакрученным потоком, а с левовинтовым - увеличивали. Кроме этого, существенное влияние на тепломассоперенос оказывают режимы с распадом вихревой структуры, чувствительные к внешним возмущениям, вызываемым, в том числе контактным диагностическим оборудованием. ? Проведены патентные исследования по теме “Интенсификация теплообмена на основе вихревых и плёночных течений”. При этом акцент был сделан на поиск документов, в которых используются характерные свойства вихревых структур, оказывающие влияния на интенсивность теплообмена. Выполнен автоматизированный поиск охранных документов и предварительный анализ найденных документов в Российской патентной базе (http://www.fips.ru/russite/default.htm), патентной базе Европейского патентного ведомства (http://ep.espacenet.com), базе Патентного ведомства США (http://uspto.gov). Согласно найденным документам лидерами по патентованию способов и устройств интенсификации теплообмена на основе вихревых и плёночных течений являются РФ и США. В патентных базах широко представлены технические решения, при которых используют закрутку потока с целью увеличения тепломассопереноса. Организация интенсивного вихревого движения позволяет решать задачи повышения энергоэффективности и снижения материалоемкости технологических установок и устройств. При этом не найдено ни одного решения, в котором используется зависимость интенсивности теплообмена от структуры вихревого потока (например, зависимость от формирования право- и левовинтовой вихревой структуры). Предварительный анализ найденных документов и источников научно-технической информации показал, что исследуемый объект обладает новизной и изобретательским уровнем. Выбранное направление исследований является перспективным соответствует и соответствует условию промышленной применимости.?В рамках работ по оснащению экспериментальной установки формирования прецессирующих и неподвижных ограниченных вихревых структур системой контроля и диагностики спроектирована программно-аппаратная архитектура модуля синхронного детектирования, обеспечивающая сбор данных различных электрических сигналов. Предложен метод синхронной регистрации параметров лазерного излучения видимого диапазона и датчиков касательного напряжения для регистрации фазовых и амплитудных параметров исследуемого вихревого процесса. Метод обеспечивает синхронную регистрацию измерений с возможностью асинхронной обработки экспериментальных данных. Исследованы параметры детектирования частотно-модулированного лазерного излучения видимого диапазона для реализации методов диагностики динамических параметров вихревых структур на основе лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА). Получены пиковые характеристики модуля передачи и обработки данных на уровне 3*105 измерений в секунду. Производительность модуля сохранения данных на жесткий диск, работающего в реальном времени на уровне 7.5*104 записей в секунду. ? ?Проведено экспериментальное исследование двухфазного газожидкостного закрученного потока для режимов с формированием нестационарной вихревой структуры в форме прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ). В качестве рабочего участка использовалась вихревая камера, в которой ПВЯ образуется при прохождении закрученного потока через область внезапного расширения (закрученная струя истекает из сопла диаметром 40 мм в соосную цилиндрическую камеру диаметром 104 мм). Исследованные диапазоны соответствуют высокотурбулентным режимам (число Re ~5*104). Образование ПВЯ в потоке сопровождается генерацией мощных пульсаций давления с выделенной частотой, совпадающей с частотой прецессии. При добавлении воздуха в поток пульсации потока продолжают наблюдаться. При этом вследствие сильной закрутки потока происходит сепарация фаз с образованием полого вихревого ядра. Диаметр газовой полости увеличивается с расходом воздуха. Данная эволюция структуры газожидкостного течения сопровождается резким уменьшением частоты прецессии вихревого ядра, снижением уровня пульсаций и перепада давления при добавлении небольшого количества воздуха в жидкость (Винокуров А.П., Шторк С.И., Алексеенко С.В. Теплофизика и Аэромеханика. 2014).? Выявлена закономерность образования области с противотоком (пузыревидного распада или взрыва вихря) в центре интенсивно закрученного потока, генерируемого в заполненной жидкостью цилиндрическом контейнере с помощью вращения одного из торцов. Показано, что сценарий возникновения области пузыревидного распада с образованием возвратного течения един, как для малого, так и для большого относительного удлинения и не зависит от границы перехода от стационарного к нестационарному режиму основного вихревого движения. Установлено линейное поведение границы возникновения критической тоски на оси цилиндра в зависимости от изменения числа Re и параметра удлинения. Установлено, что точка возникновения критического значения не зависит от удлинения цилиндра и находится всегда на фиксированном расстоянии от его неподвижного дна (Наумов И.В., Миккелсен Р.Ф. Окулов В.Л. Теплофизика и Аэромеханика. 2014).? С применением метода ЛДА получены распределения основных аэродинамических характеристик вихревого течения в лабораторной модели перспективного топочного устройства с горизонтальной осью вращения потока, сделан анализ основных аэродинамических особенностей потока в исследуемом устройстве. С использованием дифференциальной модели переноса рейнольдсовых напряжений выполнено численное моделирование трехмерного турбулентного изотермического течения в лабораторной модели вихревой топки. Проведена верификация математической модели на основе сопоставления численных результатов с полученными экспериментальными данными ЛДА-измерений. Анализ основных особенностей аэродинамики закрученного потока в вихревой топке подтверждает существенную пространственную неоднородность структуры турбулентного течения в топке. С использованием 3D полей течения в модели вихревой топки, полученных в экспериментальном и численном исследованиях, и критериев идентификации вихрей, выявлена характерная W-образная пространственная структура вихревого ядра закрученного потока в вихревой камере лабораторной модели топки (Аникин Ю.А., Ануфриев И.С., Шадрин Е.Ю., Шарыпов О.В. Теплофизика и Аэромеханика. 2014).?Исследованы принципиально важные аспекты динамики сверхтекучей турбулентности, которая регламентирует процессы переноса (в частности теплообмен) в сверхтекучем гелии. Исследована статистика вихревых петель, вылетающих из области с квантовой турбулентностью. Проведено всестороннее изучение динамики квантовой турбулентности в сверхтекучем гелии-4 при низких и сверхнизких температурах 0<T<1,1 K где затруднены теплоперенос и имеются предпосылки к интенсивному вскипанию. Были определены трехмерные спектры скорости, возникающие при пересечении и перезамыкании вихревых нитей. Показано, что спектры близки к энергетическому спектру Колмогоровского типа, таким образом свойства квантовой турбулентности близки к параметрам обычной классической турбулентности (Nemirovskii S.K. Low Temperature Physics 2014, Kondaurova L.P. Phys.Rev.B. 2014).? Получена система уравнений для определения поля скоростей через функцию тока. Записана система уравнений движения в неортогональной системе координат. Определено, что решение нулевого порядка для диффузии вихря верно, как для прямолинейных, так и для любых искривленных вихрей – решение Ламба-Озеена. Получено, что по истечении большого периода времени распределение завихренности вдали от вихря также принимает форму распределения Ламба-Озеена, но уже как функция радиальной координаты. Получены первые результаты по диффузии тонкого винтового вихря при высоких числах Рейнольдса.?Методом численного моделирования впервые получены характеристики линейных и нелинейных регулярных волн на поверхности прямого вертикального ривулета в зависимости от частоты возбуждения при различных значениях числа Рейнольдса и угла смачивания. Показано, что используемая модель хорошо описывает форму волновой поверхности ривулета, но дает заниженные значения скорости распространения волн. Показано, что дисперсионные зависимости ривулетного и пленочного течения существенно различаются. Выявлены некоторые особенности волновых режимов ривулетного течения для случаев «малого» и «большого» контактного угла смачивания (Актершев С.П., Алексеенко С.В. Письма в ЖТФ. 2015).? Методом численного моделирования впервые изучены ударно-волновые и вихревые структуры, образующиеся при нестационарном вскипании струи перегретой жидкости. Проведено сопоставление и выявлены аналогии особенностей эволюции ударных волн и формирования вихревых структур при нестационарном истечении вскипающей воды с соответствующими структурами при нестационарном истечении инертного газа. Показано влияние скорости раскрытия диафрагмы на амплитуду ударной волны при нестационарном вскипании струи перегретой жидкости. Показано, что амплитуда фронта ударной волны при нестационарном вскипании струи перегретой жидкости уменьшается при увеличении времени раскрытия диафрагмы (Алексеев М.В., Лежнин С.И., Прибатурин Н.А., Сорокин А.Л. Теплофизика и Аэромеханика. 2014).? ? По результатам исследований подготовлено и опубликовано 8 статей, 7 из которых индексируются базой данных Web of Science и одна базой данных РИНЦ. Результаты работы представлены на 9 международных конференциях. Научным коллективом представлено 2 приглашенных, 11 устных и 2 стендовых докладов.?Все планируемые на год работы выполнены полностью.