Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2015
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: Проведено аналитическое исследование диффузии тонкой винтовой вихревой нити в нестационарной постановке при малых числах Рейнольдса. В предположении о винтовой симметрии течения задача сведена к двумерной постановке в переменных «функция тока - завихренность». Рассматривается случай, когда размер вихревого ядра много меньше радиусаПоказать полностьюкривизны винтовой вихревой нити. При этом для анализа возможно применить подход двухмасштабного разложения (Березовский, Капланский, 1992), когда искомые функции представляются в виде суммы внутреннего (в окрестности вихревой нити) и внешнего (глобального) решений. Проведенные выкладки позволили получить члены разложений по малому параметру нулевого и первого порядков, а также вывести формулу для зависимости от времени скорости движения диффундирующего винтового вихря на начальной стадии эволюции. (Agafontseva, Kuibin, EPJ Web of Conferences. 2015).?? Сформулирована физико-математическая модель для описания образования винтовых вихревых структур в потоке вязкой несжимаемой жидкости за различными типами вихрегенерирующих плохо обтекаемых тел в неограниченном пространстве. Модель основана на уравнениях Навье-Стокса, а тестируемыми телами были вытянутый сфероид, обтекаемый под большим углом атаки и тонкий диск, фронтально обтекаемый набегающим равномерным потоком. Впервые при числе Рейнольдса 3000 и угле атаки в 45 градусов был найден режим устойчивого формирования правовинтовой вихревой структуры в следе за сфероидом, которой соответствовал струе подобный профиль скорости, с ее увеличением на оси следа. Установлены условия перехода правосторонней винтовой вихревой структуры в ближнем следе к левовинтовой. Данный переход фактически устанавливает изменение топологии вихревой структуры следа, изменяя его симметрию. Автомодельность затухания левовинтовой вихревой структуры была экспериментально изучена в дальнем следе за тонким диском при числах Рейнольдса 104-105, на расстояниях до 60 калибров (Наумов И.В. и др., ТиА, 2015). Таким образом, установлены условия генерации, изменения и автомодельности затухания для винтовых вихревых структур в следах за моделями плохо обтекаемых тел.??Проведены исследования влияния дисперсности потока, именно наличия газовой фазы в течении жидкости, на характеристики нестационарных вихревых структур с винтовой симметрией. Для генерации нестационарного вихря использовался рабочий участок, где закрученный поток проходил через область внезапного расширения, вследствие чего происходил распад вихря. Распад вихря при больших числах Рейнольдса ассоциируется с генерацией неустойчивости течения в форме прецессирующей вихревой структуры со спиральной (винтовой) геометрией оси вихря. Такая экспериментальная система с генерацией хорошо выраженного прецессирующего спирального вихря, использовалась для анализа влияния подачи газовой фазы на параметры вихревого течения. Опыты включали в себя измерение интегральных характеристик течения: частоты прецессии, полного осевого перепада давления, радиального перепада давления. Эксперименты проводились с использованием автоматизированной системы задания расходов жидкой и газовой фаз, отладка которой производилась на предыдущем этапе выполнения проекта. Использование автоматизированной системы дало возможность набрать огромный массив экспериментальных данных для анализа и выявления закономерностей в эволюции параметров нестационарного газожидкостного потока при изменении газосодержания. (Vinokurov, Shtork, Alekseenko, EPJ Web of Conferences, 2015; Винокуров, Шторк, Алексеенко, Письма в ЖТФ, 2015).?? Разработана полуэмпирическая модель газожидкостного расслоенного закрученного течения в коническом диффузоре с формированием вихря с газовой полостью внутри вихревого ядра. В основу модели заложена идея использования законов сохранения. Анализ экспериментальных данных подтвердил выполнение законов сохранения потоков массы и момента количества движения. Для построения собственно модели, описывающей геометрию газовой полости, выполнена параметризация поля скорости в диффузоре. При этом в качестве исходных данных взяты экспериментально измеренные распределения осевой и окружной компонент скорости в двух сечениях, расположенных вблизи входа и выхода их диффузора. Из 15 параметров, описывающих профили скоростей, только 4 являются независимыми, для которых выведена система четырех уравнений с учетом трех законов сохранения и уравнения Бернулли для давления. Полученные в результате решения задачи формы газовых полостей близки к наблюдаемым в экспериментах. (Kuibin et al. Model for cavity description in a Francis turbine draft tube. Proc. IAHRWG 2015 on in Hydraulic Machinery and Systems, 2015.).?? Выполнено исследование погрешности лазерных триангуляционных методов в условиях нестационарных конвективных вихревых потоков при измерениях в условиях температурных градиентов на основе статистического анализа распространения оптических сигналов. Установлено, что наличие фазовых неоднородностей, вызванных сильными температурными градиентами, вносит значительные искажения в оптические сигналы лазерных триангуляторов, что в конечном итоге приводит к существенному увеличению погрешности. Для снижения погрешности применялось статистическое накопления данных, учитывающие температурные градиенты в исследуемом объеме (Двойнишников и др., Метрология, N12, 2015).?Методом численного моделирования впервые изучено пространственное развитие линейных и нелинейных трехмерных вынужденных волн в ривулете, стекающем по вертикальной пластине. Расчеты выполнены для двух жидкостей с различными физическими параметрами, которые использовались в экспериментах (Алексеенко и др., ТиА. 2010). Выявлены некоторые особенности волновых режимов ривулетного течения для случаев «малого» и «большого» контактного угла смачивания. В случае «большого» угла смачивания волны имеют двумерный характер, в то время как в случае «малого» угла смачивания развиваются трехмерные подковообразные волны. Это относится как к линейным, так и к нелинейным волнам во всем исследованном диапазоне частот и чисел Рейнольдса. Показано, что характеристики волн для ривулетного и пленочного течения существенно различаются (Alekseenko, Aktershev et al., J. Fluid Mech. 2015). ?? Проведено исследование спектральных характеристик сверхтекучей турбулентности и вихревой структуры на жидкий гелий. Для решения задачи теплообмена в сверхтекучих жидкостях требуется знание динамики так называемый плотности квантовых вихревых нитей L(r, t). В пространственно- однородном случае уравнение предложенный Вайненом на базе размерных и физического рассмотрения позволяет ряд альтернативных выражений для члена, который описывает генерацию вихрей. Чтобы преодолеть эту трудность были проделаны специальные численные расчеты, которые позволили описать различные формы генерирующего члена (Kondaurova L.P. et al., Phys. Rev. B, 2015). Разработана альтернатива идея, что спектры энергии в квантовой турбулентности появляются из особого решения, которая описывает коллапс вихревых нитей в моменты перезамыканий. Рассчитаны спектры энергии 3D поля скорости, индуцированного вихревыми нитями вовремя перезамыкания. Показано, что конкретная конфигурация вихревой нити порождает спектр Е(к) близкий к Колмогоровскому Е (k)= k(-5/3) (Sergey K. Nemirovskii, Phys. Rev. B. 2015).?? Проведенные на основе неравновесной односкоростной модели расчеты эволюции волн при разгерметизации сосуда высокого давления впервые показали, что не только время, но и тип разрыва принципиально влияет на форму и амплитуду волн. Установлено, что при взаимодействии волн сжатия с преградой расчетное давление отраженной волны вблизи сопла меньше теоретически предсказанного. При удалении различия между расчетным и теоретическим значениями уменьшается. Показано, что различия результатов расчета по односкоростной модели и модели с актуальным значением трения незначительны, однако, в случае «естественного» трения наблюдается более выраженный эффект диссипации волны сжатия. При искусственно заниженном трении проявляется расщепление волн по жидкой и газовой фазам (Алексеев и др., Вестник ТГУ, 2015).?? С применением метода PIV проведено экспериментальное исследование процессов переноса в камере горения лабораторной модели вихревого топочного устройства с горизонтальной осью вращения потока при различных аэродинамических параметрах течения. Получена информация об основных параметрах изотермического вихревого течения (поля средней скорости, распределения компонент скорости, статистических моментов турбулентных пульсаций, кинетической энергии турбулентности) для научного обоснования методов управления структурой потока и процессами переноса. Показано, что изменение режимов в исследуемом диапазоне параметров не оказывает влияния на изменение структуры течения. (Krasinsky, Int. Review of Mech. Eng. (IREME). 2015).?? В рамках работ по развитию методов оптической диагностики структурных и размерных параметров статических и динамических объектов подготовлены заявки на патент № 2015148289 от 10.11.2015 “Способ измерения полного вектора скорости в гидропотоках с помощью лазерного доплеровского анемометра (ЛДА)” и № 2015131396 от 28.07.2015 “Способ визуализации ограниченных (замкнутых) нестационарных вихревых течений”. Изобретения относятся к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать ограниченные (замкнутые) вихревые потоки жидкости, а также может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной гидродинамике.??Подготовлены и опубликованы по результатам исследований 2 монографии:?1.?Немировский С.К. Гидродинамика квантовых жидкостей. Волны, вихри, турбулентность. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2015. – 280 с. ISBN 978-5-7692-1448-6.?2.?Меледин В.Г. Информационная оптоэлектронная диагностика. Наука и инновационные промышленные технологии / Отв. редактор член-корр. РАН С.В.Алексеенко. - Новосибирск: Академиздат, 2015. 173 с. ISBN 978-5-9907241-7-4.??В период с 30 мая по 1 июня 2016 г. г запланировано проведение EUROMECH Colloquium [581] “Dynamics of Concentrated Vortices” В г. Новосибирск, Россия, под руководством руководителя проекта член-корр. РАН С.В. Алексеенко. Цель проведения коллоквиума – собрать ученых, работающих над проблемами, связанными с концентрированными вихрями для представления и обсуждения передовых научных результатов в области вихревой гидродинамики. Планируется более 30 участников из Европейских стран. Основные направления работы коллоквиума полностью соответствуют выполняемому проекту: Концентрированные вихри (спиральные вихри, распад вихрей, прецессия вихря), теоретические и экспериментальные методы моделирования закрученных потоков с концентрированными вихрями; закрученные пламена; двухфазные закрученные потоки; динамика квантованных вихрей в сверхтекучей жидкости.??По результатам исследований подготовлено и опубликовано в отчетном году 14 статей, 13 из которых индексируются базой данных Web of Science и 10 - базой данных РИНЦ. Результаты работы представлены на 18 международных конференциях. Научным коллективом представлено 24 доклада, в т.ч. - 6 приглашенных, 14 устных и 4 стендовых докладов.??Все планируемые на год работы выполнены полностью.