Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2016
Ключевые слова: турбулентность, многофазные течения, кластеризация, крупномасштабные вихревые структуры, large eddy simulation, particle image velocimetry
Аннотация: Разработанная на предыдущем этапе выполнения проекта модель TINLM была использована для описания статистики скорости частиц в турбулентном течении в плоском канале и анализа предсказательной способности модели и параметров аккумуляции частиц в вязком подслое. Показано выполнение «условия хорошей перемешиваемости» Томсона (Thomson, Показать полностью1987) в пределе частиц – пассивных трасеров в пределах численной погрешности, что выгодно отличает модель TINLM от многих современных моделей турбулентной дисперсии частиц. Проведённые расчёты динамики инерционных частиц показали хорошее соответствие с данными DNS+LPT объединённого benchmark-теста (Marchioli et al., 2008) средней скорости и напряжений Рейнольдса частиц и смешанных корреляций скоростей частиц и среды. Были исследованы характеристики аккумуляции частиц, а именно, зависимость от числа Стокса показателя степени для сингулярности профиля концентрации частиц вблизи стенки в сравнении с теоретической зависимостью, полученной в работе (Sikovsky D.Ph. Singularity of inertial particle concentration in the viscous sublayer of wall-bounded turbulent flows. Flow Turb. Combust. 2014, V.92, P.41-64). Обнаружено отклонение от теории при больших числах Стокса, связанное с влиянием конечного размера частицы, который становится сопоставимым с толщиной вязкого подслоя. Показано, что частицы конечного размера испытывают меньшую аккумуляцию по сравнению с точечными частицами с тем же временем релаксации, что объясняется большей удалённостью частиц конечного размера от стенки и интенсивностью воздействия на них скорости среды.?С использованием томографического метода PIV проведено экспериментальное исследование пространственной формы и динамики крупномасштабных вихревых структур в осесимметричной и шевронной затопленных струях. На основе трехмерных распределений и преобразования Фурье по азимутальной координате оценено содержание кинетической энергии турбулентности в различных азимутальных модах. Анализ методом главных компонент (POD) реализаций поля пульсаций скорости для каждой отдельной азимутальной моды позволил выявить когерентные структуры в потоке для различных мод. По итогам проведенного исследования сделан вывод, что в случае шевронной струи кинетическая энергия пульсаций с осесимметричной модой, соответствующая прохождению тороидальных вихрей в слое смешения струи, была подавлена более чем в два раза по сравнению со струей из осесимметричного сопла. Реализован программный модуль для оценки поля давления по данным томографических PIV измерений. Модуль был протестирован на базе данных измерений для свободной осесимметричной струи с умеренным числом Рейнольдса (Re = 8900). Полученное поле давления отражает сценарий развития сдвиговой неустойчивости в струе: в ближней области струи в слое смешения формируются тороидальные вихри, которым соответствуют области пониженного давления. На основе численных расчётов методом LES показано, что низкочастотные спиральные возмущения содержат наибольшее количество энергии струйных течений, организованных развитым турбулентным потоком как из вращающейся, так и не вращающейся трубы. Исследована эволюция пристенных полосчатых структур в слое смешения струи при разной скорости вращения трубы.?При помощи трёхмерных расчётов методом LES и томографических PIV измерений, проведенных в широком диапазоне чисел Рейнольдса, впервые обнаружены вихревые структуры в щелевой турбулентной струе и изучены их характеристики. Формирование данных структур может быть обусловлено локальным отрывом пограничного слоя от ограничивающих стенок канала в результате прохождения крупномасштабных квазидвумерных вихрей, периодически образующихся вследствие развития сдвиговой неустойчивости типа Кельвина–Гельмгольца. Обнаружено новое явление модуляции меандрирования в щелевой струе, которое является результатом конкуренции осесимметричных и асимметричных возмущений, растущих в слоях смешения.?В рамках этапа 2016 года проведена программная статистическая обработка комплексной базы экспериментальных данных, полученной на прошлом этапе выполнения проекта. Изучена гидродинамическая структура свободной и импактной пузырьковых струй как в условиях свободного истечения, так и в условиях наложенных внешних пульсаций расхода. Рассчитаны средние и турбулентные характеристики для непрерывной и дисперсной фаз до статистических моментов третьего порядка, включая совместные смешанные корреляции флуктуаций скорости обеих фаз и локального газосодержания. Изучено влияние объемного содержания газа на распределения турбулентных характеристик в жидкости. Обнаружено, что для струи, натекающей на преграду, влияние дисперсной фазы на турбулентность вблизи сопла аналогично влиянию в случае свободного течения, – для данных условий происходит диссипация кинетической энергии турбулентности на пузырях. Однако вблизи стенки пузыри, напротив, способствуют генерации турбулентности. Механизм этого процесса связан с формированием отрывных течений при обтекании пузырей вследствие большой скорости скольжения фаз в области критической точки. Наложение внешних низкоамплитудных пульсаций расхода приводит к тому, что пузыри распределяются в потоке не равномерно, как в случае стационарного течения, а, главным образом, кластеризуются в центрах когерентных структур. При этом существенно интенсифицируются турбулентные флуктуации скорости во всей области потока, вне зависимости от локальной концентрации газовой фазы.?При экспериментальном исследовании методом PIV обтекания цилиндра турбулентным потоком жидкости в гидродинамической трубе обнаружены эффекты влияния смачиваемости поверхности на структуру вихревой зоны за цилиндром и коэффициент гидравлического сопротивления. ?