Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2016
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 экспериментальное исследование крупномасштабных вихревых структур в гидродинамической вихревой камере. Для количественного исследования течения использовались бесконтактные методы лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV). Получены экспериментальные зависимости между геометрией вихреПоказать полностьювых структур, параметрами закрученного потока и характером распределения коэффициента массообмена в канале большого удлинения (гидравлической трубе и вихревой камере круглого сечения). По полученным картинам визуализации и профилям скорости удалось классифицировать вихревую симметрию полученных структур как левовинтовые (при отсутствии диафрагмы и со смещенной диафрагмой) и правовинтовые вихревые структуры (диафрагма с отверстием на оси камеры). Правовинтовым структурам свойственно совпадение направления закрутки спирали вихря и направления ввода потока, а левовинтовым - противоположное направление. Показано, что у правовинтовых максимум осевой скорости находится вблизи оси, а у. левовинтовых ближе к стенке, что оказывает сильное влияние на тепломассообемен. Использование различных диафрагм позволяет управлять винтовой симметрией, распределением осевой скорости и, как следствие, массообменом (Dremov et al., J. Physics: Conf. Ser., 2016).??Сформулирована физико-математическая модель для описания образования винтовых вихревых структур в потоке вязкой несжимаемой жидкости за последовательностью подобных вихрегенерирующих затупленных плохо обтекаемых тел. Сопоставлены модели структуры потоков с различными видами вихревых генераторов и винтовой симметрии поля завихренности и над плоскостью, с учетом обменных процессов и анализа полученных экспериментальных и численных результатов, с целью полной интерпретации данных измерений для затухания вихревых структур дальнего следа. В работе (Наумов и др., ТиА, 2016) с помощью PIV изучено затухание дальнего следа и его турбулентных пульсаций за двумя тонкими дисками одинакового диаметра, расположенных друг за другом перпендикулярно набегающему потоку. Оказалось, что дефицит скорости пары слабо зависит от исследованных ее продольных размеров системы, а после сорока калибров для всех случаев становится неразличимым от уровня турбулентных пульсаций набегающего потока. Установлено, что затухание дефицита средней скорости и его турбулентных пульсаций в следе за последним диском пары можно описать аналогичной аналитической зависимостью с показателем степени -2/3. В работе (Jiang, Okulov et al., JFM, 2016) впервые при неосесимметричном обтекании тела в следе за ним был обнаружен переход от изначальной вихревой структуры с правой винтовой симметрией к левой. Точка перестройки зарегистрирована на расстоянии 3 калибров от сфероида. Данное резкое изменение винтовой симметрии в ядре вихря наблюдалось без сопровождающего изменения в топологии потока. ??Экспериментально исследовано явление вихревого перезамыкания между отдельными частями спиральной вихревой трубки, которая формируется в закрученном течении в расширяющемся канале. Впервые в деталях показан сам процесс перезамыкания, а также образование изолированных и зацепленных вихревых колец. В зоне перезамыкания на исходной спирали всегда генерируется волна Кельвина, завитая влево и бегущая вверх по вихревой трубке. Выявлен ряд топологических особенностей процесса вихревого перезамыкания: асимметрия этого процесса в окрестностях кольца и спиральной трубки; формирование двух мостиков и двух нитей, также демонстрирующих асимметрию; формирование внешних мостиков, не связанных с процессом вихревого перезамыкания (Алексеенко и др., ПЖЭТФ, 2016).??Изучена эффективность теплообмена турбулентного сверхтекучего гелия при кипении и возможность интенсификации данного процесса. Анализ результатов численного моделирования модели закипания гелия показал, что при теплопередаче в жидкость время роста температуры вблизи нагревателя, а вместе с ним время вскипания сильно зависят от остаточной плотности вихрей в жидкости. Проведенные компьютерные расчеты в рамках разработанной модели показали хорошую корреляцию с экспериментальными данными. Достаточно очевидные результаты получены для разных плотностей теплового потока и с увеличением q время вскипания будет уменьшаться (Kondaurova, JLTP, 2017). При исследовании влияния коллапса вихревого пучка на образование Колмогоровского спектра в квантовой турбулентности, показано, что неоднородные вихревые пучки, которые появляются в результате нелинейной динамики вихрей создает энергетический спектр, который близок к зависимости Колмогорова E(k) =k(-5/3). ?На основании метода корреляционных функций и метода конфигураций квантовых вихрей вычислен энергетический спектр трехмерного поля скорости, индуцированного коллапсирующими (непосредственно перед осуществлением реконнекции) вихревыми нитями. Показано, что такая конфигурация вихревых нитей генерирует спектр E(k), близкий к Колмогоровскому. Обсуждается возможная причина этого факта, а также вероятные причины отклонения. Анализируя недавние работы по эволюции вихревых клубков, исследован актуальный вопрос о неоднородной квантовой турбулентности. На основании приведенных аргументов оспаривается, что вывод авторов об изменении вида уравнения для роста вихревых нитей не может рассматриваться правомерным (Nemirovskii, Phys. Rev. B. 2016).??В результате численного моделирования трехмерного турбулентного течения, процессов тепломассопереноса и горения твердого распыленного топлива при факельном сжигании бурого угля в вихревой топке, выполненного для двух вариантов коэффициента избытка воздуха в топке, проанализирована аэротермохимическая структура полидисперсного реагирующего потока, включая распределения скорости, температуры, тепловых потоков и концентраций в топочном объеме. Полученные в расчетах интегральные теплотехнические и экологические характеристики исследуемой вихревой топки демонстрируют соответствие показателям, принятым в теплоэнергетике для угольных ТЭС. Анализ полученных значений коэффициента тепловой эффективности экранных поверхностей подтвердил улучшенную энергоэффективность вихревой топки (Alekseenko et.al. Heat Transfer Research. 2016). Сформулированы основные пути управления характеристиками процесса сжигания распыленного бурого угля в вихревой топке.??Разработана модель истечения вскипающего теплоносителя, учитывающая трение на преграде в квазистационарном режиме. Выявлены особенности, связанные с влиянием длительности «раскрытия» сечения для разрыва трубы и его геометрии. Показано, что при увеличении времени раскрытия амплитуда волны сжатия существенно уменьшается, а амплитуда волны разрежения может существенно увеличиться (Alekseev et al., J. of Eng. Termophysics, 2016). Показано, что расчётное давление отраженной от преграды волны вблизи сопла отличается от теоретически предсказанного для идеального газа, а при удалении различия между расчётным и теоретическим значениями уменьшается (Алексеев и др., Теплофизика и Аэромеханика, 2016). Получено качественное согласие экспериментальных данных и результатов моделирования истечения теплоносителя со сверхкритическими начальными параметрами. Показано, что амплитуда отраженной волны сжатия на преграде вблизи сопла отличается от теоретически предсказанного для идеального газа, а при удалении преграды от сопла различия амплитуд отраженной волны сжатия между расчётным и теоретическим значениями уменьшается. Проведено исследование динамики взаимодействия ударноволновых и вихревых структур на преграду при квазистационарном истечении перегретого пара. Показано, что увеличение начального давления истекающего газа уменьшает разницу в скорости роста газовой полости в высокотеплопроводной и низкотеплопроводной жидкостях.??В 2016 году возникли исключительные права на результаты интеллектуальной деятельности, созданные при выполнении проекта, по результатам которых оформлены две заявки на патент:?Заявка № 2016118130 от 10.05.2016 «Устройство для стабилизации вихревого потока» Авторы: С.В. Алексеенко, Ю.С. Попов, С.И. Шторк. Заявитель: ИТ СО РАН. ?Заявка № 2016118131 от 10.05.2016 «Способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси» Авторы: С.В. Алексеенко, П.А. Куйбин, В.Л. Окулов, Ю.С. Попов, С.И. Шторк, Р.Р. Юсупов. Заявитель: ИТ СО РАН. ??В период с 30 мая по 1 июня 2016 г. в Институте теплофизики СО РАН им С.С. Кутателадзе г. Новосибирск, Россия прошел ЕВРОМЕХ Коллоквиум «Динамика концентрированных вихрей» (EUROMECH [581] Colloquium «Dynamics of concentrated vortices»), под руководством руководителя проекта РНФ, академика РАН С.В. Алексеенко. Тематика Коллоквиума полностью соответствовало выполняемому проекту РНФ 14-29-00093. В нем приняли участие около 20 зарубежных ученых из Англии, США, Японии и других стран мира, а также специалисты из разных городов России. ?Основное внимание на Коллоквиуме было уделено особенным свойствам вихревых течений с концентрацией завихренности и соответствующим физическим явлениям. Были представлены последние методы теоретического и численного моделирования концентрированных вихрей, методы экспериментальной диагностики и прикладные аспекты применения концентрированных вихрей в энергетических технологиях и аэрокосмической технике. Доклады были разбиты по нескольким секциям:?Концентрированные вихри (динамика вихревых нитей, винтовые вихри, неустойчивости и волны на вихрях, распад вихря, прецессия вихревого ядра);?Теоретические и экспериментальные методы моделирования закрученных потоков с концентрированными вихрями;?Динамика квантовых вихрей в сверхтекучей жидкости;?Концентрированные вихри в технических приложениях;?Теплообмен и горение в закрученных потоках, двухфазные вихревые течения.?В 2016 году участниками проекта успешно защищены две докторские диссертации: на тему«Устойчивость, нелинейные волны и процессы переноса в пленках жидкости при сложных условиях» и “Лазерная многопараметрическая триангуляция динамических объектов в фазово-неоднородных средах”. Диссертационные работы выполнены в Лаборатории проблем тепломассопереноса ИТ СО РАН. Полученные в диссертациях результаты следований полностью соответствуют заявленным целям проекта.??В ходе выполнения этапа 2016 года подготовлена монография: Немировский С.К. Гидродинамика квантовых жидкостей. Волны, вихри, турбулентность. Часть 2. Квантовые вихри, сверхтекучая турбулентность. – Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2016. – 290 с. ISBN 978-5-7692-1482-0.??По результатам исследований подготовлено и опубликовано в отчетном году 24 статьи, 18 из которых индексируются базой данных Web of Science (из них 3 статьи в журналах из Q1, и общим количеством цитирования за период 2015-2016 гг. приближающимся к 50) и 12 - базой данных РИНЦ. Результаты работы представлены на 12 международных конференциях. Научным коллективом представлено 24 докладa, в т.ч. - 3 приглашенных, 19 устных и 2 стендовых.