Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2017
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: Проведена модернизация гидродинамического канала для реализации устойчивых режимов с формированием стационарных и прецессирующих вихревых нитей с винтовой геометрией оси вращения. Спроектирован и изготовлен набор вставок, позволяющий стабилизировать вихревые структуры за счет фиксации геометрических граничных условий в рабочем учасПоказать полностьютке. Отработаны алгоритмы обработки измеренных данных на основе метода главных компонент (POD) и фазового осреднения. С использованием PIV и ЛДА техники были проведены бесконтактные измерения поля течения, индуцируемого винтовыми вихрями. Полученные экспериментальные данные позволили определить основные параметры винтовых вихрей и провести их сравнительный анализ. Экспериментально измеренные параметры винтовых вихрей были использованы для вычисления величины и знака вкладов различных механизмов, ответственных за движение искривленной вихревой нити.?Применение аналитической теории винтовых вихрей (Alekseenko et al., 1999; Алексеенко и др., 2003) позволило определить базовые параметры винтовых структур, таких как циркуляция, радиус вихревого ядра, шаг винтовой симметрии, тип симметрии (правая или левая), радиус винта (отклонение центра вихря от оси канала). Такие данные были впервые получены для стационарного винтового вихря и стационарного двойного вихря. Вычисления показывают, что компоненты, отражающие влияние стенок канала и скорости на оси канала, имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку, значения. Такая же ситуация реализуется для вкладов кривизны и кручения нити. Это приводит к тому, что данные компоненты компенсируют друг друга, давая в результате нулевую частоту прецессии винтового вихря, т.е. его стационарность. ??Проведен цикл работ включающих высокоскоростную визуализацию процесса формирования возмущения в виде волны Кельвина на прецессирующем винтовом вихре в кавитирующем потоке. Экспериментально продемонстрировано явление формирования мод m = 0, ±1, 2 волн Кельвина на спиральной вихревой трубке в закрученном кавитирующем потоке, наблюдаемые ранее только в ходе численных расчётах на прямолинейной вихревой трубке. Установлено, что мода m=0 является наиболее частотной, и после прохождения волны такого типа наблюдается значительное утоньшение вихревого ядра. Моды m = ± 1 встречаются реже, и достаточно быстро, относительно частоты прецессии затухают во времени. Причём мода m = +1, формируется только на основной вихревой спирали а мода -1 была зарегистрирована на вихревом кольце, отделяющемся в результате вихревого перезамыкания.??Установлены закономерности пространственно-временного развития нелинейных периодических волн на вертикально стекающем ривулете. Показано, что возбужденные волны в пленке с фазовым превращением (испарение, конденсация) существенно усиливают теплообмен в определенном диапазоне частот по сравнению с естественными волнами. Показано, что интенсификация теплообмена волнами объясняется преобладающим вкладом тонкого остаточного слоя между пиками. Выявлено влияние безразмерных параметров задачи на характерные временные и пространственные масштабы развития неустойчивости и параметры ривулетной структуры (Aktershev, Alekseenko J. of Physics: Conf. Series. 2017). ??Найдены аналитические решения, соответствующие равновесным состояниям несимметричных пар, состоящих из винтовых вихрей с противоположными значениями циркуляций, наряду с ранее установленными равновесными состояниями для двух несимметричных винтовых вихрей одинаковых циркуляций. В отличие от простых – точечных вихрей, возможность несимметричных состояний винтовых вихрей достигается за счет дополнительного вклада само индуцированных скоростей (Fukumoto, Okulov, Wood 2017). Существование несимметричных вихревых пар в интенсивно закрученных потоках позволит с новых позиций рассмотреть концепцию вихревого спаривания и оценить его влияние на турбулентный тепло и массоперенос. Дополнительно было установлено, что дуплетный характер препятствия не нарушает автомодельного поведения дальнего следа. В случае дуплетов с разными расстояниями между двух соосных дисков была установлена автомодельность дальнего следа и его полное соответствие решению для осесимметричных одномерных уравнений Рейнольса (Okulov, Naumov et al., J. Eng. Therm., 2017).??Обнаружен эффект гистерезиса в системах масло-вода и масло-глицерин а также глицерин-воздух. Определена зависимость петли гистерезиса при объемном соотношении компонент жидкости. Выявлена закономерность деформации границы раздела, зависящая от плотности используемых компонент системы. При малых соотношениях тяжелых жидкостей обнаружены два новых явления: (а) образование приосевого водяного столба, отделенного от боковой стенки и простирающегося от дна до крышки цилиндра, и (б) гистерезис капиллярной природы. Установлено, что общая закономерность “верхнего” и “нижнего” гистерезиса в том, что гистерезис наблюдается, когда граница раздела близка к соответственно верхнему или нижнему вращающемуся диску. Выявлена закономерность ширины гистерезиса, зависящая от кинематической вязкости используемых компонент системы. Эффект гистерезиса наблюдается только в стационарном режиме течения (числа Рейнольдса менее 3000) и полностью подавляется при нестационарном режиме течения при увеличении угловой скорости вращения диска (Naumov et al., J. Eng. Therm., 2017).??Реализованы алгоритмы обработки доплеровских сигналов, позволяющие выполнять измерение скорости в случае коротких реализаций доплеровских сигналов, содержащих временную развертку сигнала менее 25% периода. В результате оптимизации алгоритма динамический диапазон измеряемых скоростей расширен до 1:200 на модельных сигналах. Показано, что для численной модели доплеровского сигнала с шириной полосы модуляции 5 МГц, ошибка предложенного метода составляет менее 0,01% при соотношении сигнал\шум 1.25 (Климов и др., Автометрия, 2017). Установлено, что погрешность метода измерения при обработке доплеровского сигнала от калибровочных частиц не превышает 2% при анализе реализаций доплеровского сигнала, содержащих менее 0.5 периода.??На основе математической модели 3D газодисперсного турбулентного течения с использованием Эйлерова двухскоростного описания для обеих фаз с учетом их скольжения и дифференциальной модели переноса рейнольдсовых напряжений выполнено вариантное численное исследование одно- и двухфазных течений в нестационарной изотермической постановке для полноразмерной конструкции вихревой топки и для ее лабораторной модели (Krasinsky D., MATEC Web of Conf., 2017). Анализ влияния масштабного фактора на частотные параметры динамики крупномасштабных вихревых структур показал совпадение чисел Струхаля энергонесущих структур в закрученном потоке для лабораторной модели и для полноразмерной вихревой топки. Результаты численного моделирования монодисперсной газовзвеси для двух вариантов размеров частиц (числа Стокса 0.1 и 0.4), проведенного как для полноразмерной вихревой топки, так и для ее лабораторной модели, показали, что для крупноразмерных частиц проявляются эффект скоростного скольжения фаз и повышение концентрации дисперсной фазы вблизи стенок вихревой камеры, особенно в ее нижней части. Для менее инерционных частиц эти эффекты пренебрежимо слабы. ??Создана экспериментальная установка и проведены испытания лабораторного образца пневматической форсунки, обеспечивающей распыливание в результате взаимодействия возвратной высокоскоростной газовой струи и потока топлива с формированием тороидального вихря. Установка позволяет получать сверхзвуковой газокапельный поток (скорость несущей фазы до 600 м/с при давлении до 4 атм, расход жидкости до 500 кг/ч). С применением оптических методов определен диапазон режимных параметров, обеспечивающих устойчивый режим работы форсунки, вне этого диапазона наблюдаются сильные пульсации газокапельного потока. Установлено, что в данном диапазоне режимов угол раскрытия струи не зависит от расхода жидкости и давления. ??Разработана релаксационная модель неравновесного фазового перехода, истекающего в атмосферу перегретого теплоносителя, основанная на размерах дисперсной фазы с учетом теплообмена капли жидкости с окружающим ее паром. Показано, что учет неравновесного фазового перехода приводит к существенным изменениям в осевых профилях массового паросодержания по сравнению с равновесной моделью. Выполнено сравнительное численное моделирование истечения сверхкритической жидкости по термодинамически равновесной и неравновесной релаксационной моделям фазового перехода с различными временами релаксации. Показана возможность совершенствования модели на основе обработки экспериментальных данных по распределению капель, которые формируются при дроблении водяной струи, по размерам. Проведено обобщение неравновесной релаксационной модели, описывающей процессы вскипания перегретого теплоносителя на случай использования ее для описания неравновесной конденсации. ??Исследовано влияние динамика плотности вихревых линий на процессы теплопередачи в сверхтекучем гелии. Проанализированы три уравнения динамики плотности вихревых линий. Показано, что уравнение Вайнена дает значения времени развития вихревого клубка в случае постоянного противотока более корректно, чем другие альтернативные уравнения. Изучена проблема квантовой турбулентности в канале с неоднородным противотоком сверхтекучего турбулентного гелия. ??В период выполнения этапа 2017 года участниками проекта успешно защищены две диссертации: на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Диссертационные работы выполнены в Лабораториях проблем тепломассопереноса и теоретической теплофизики ИТ СО РАН. Полученные в диссертациях результаты следований полностью соответствуют заявленным целям проекта. ??По поданным в 2016 году в рамках проекта заявкам получено три патента: RU 2612202 от 03.03.2017 г., RU 2620776 от 29.05.2017 г. и RU 2634021 от 23.10.2017 г.??По результатам исследований подготовлено и опубликовано в отчетном году 20 статей, 19 из которых индексируются базой данных WOS и/или Scopus и 1 - базой данных РИНЦ. Результаты работы представлены на 11 международных и всероссийских конференциях. Научным коллективом представлено 26 докладов, в т.ч. - 9 пленарных, 11 устных и 6 стендовых докладов.