Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2018
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: Реализован спектральный метод детектирования сигналов лазерного доплеровского измерителя скорости вихревых и турбулентных процессов. Реализован метод фильтрации сигналов лазерного доплеровского анемометра на основе анализа флуктуаций мгновенной частоты квадратурного доплеровского сигнала. Выполнена оптимизация алгоритма измерения пПоказать полностьюолного вектора скорости в многоканальных ЛДА с неравномерной дискретизации данных по времени на основе узкополосного спектрального анализа доплеровских сигналов и низкочастотной фильтрации сигналов (Klimov et al., Opt. Inst. and Data Proc., 2018). Предложенные и реализованные методы обработки доплеровских сигналов интегрированы в программное обеспечение ЛДА и активно используются в экспериментальных гидро- и аэродинамических исследованиях с использованием ЛДА методов.??Проведено теоретическое исследование нелинейных плоских волн в вертикальном ривулете. Показано, что фазовая скорость стационарно бегущих нелинейных волн может быть как больше, так и меньше скорости линейных волн. Обнаружено, что стационарно бегущие волны существуют не для всех значений волнового числа из области неустойчивости. Выявлены интервалы (по волновому числу), в которых стационарно бегущие волны с заданным пространственным периодом не формируются, а наблюдается квазипериодический пульсирующий волновой режиме. В численных расчетах исследованы особенности формирования стационарной трехмерной периодической ривулетной структуры в локально нагреваемой пленке. Показано, что развитая ривулетная структура имеет квазистационарный характер, который соответствует асимптотической стадии в двумерных расчетах. Проведено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.??Исследования условий генерации стационарных винтовых вихрей показали (Gesheva et al. J. Phys. Conf._Ser., 2018), что формирующиеся вихри, хотя и занимают в среднем по времени фиксированное пространственное положение, но совершают мелкомасштабное движение в форме прецессии. Более тщательный анализ скоростной видеозаписи показал, что это мелкомасштабное возмущение имеет характер бегущей спиральной волны. Измерения фазовой скорости волны в азимутальном направлении показало, что возмущения вращаются вокруг оси с безразмерной частотой (число Струхаля) порядка 0.13 в случае одинарного вихря. При генерации двойного вихря данная частота почти в три раза выше. Локальное отклонение центра вихря относительно центра канала (радиус винтовой линии) и локальный шаг винта практически остаются неизменными. Это позволяет принять допущение о цилиндричности течения и применять таким образом аналитическую теорию винтовых вихрей, использующую модель бесконечной в осевом направлении винтовой вихревой нити. ?Исследования со вдувом газовой фазы в закрученный поток жидкости с прецессирующими вихревыми структурами, показали, что основной эффект от подачи воздуха связан с сепарацией более легкой газовой фазы к центру вихревого ядра и формированием газового ядра вдоль оси вихря (Алексеенко и др., ПЖТФ, 2018). Это означает переход от концентрированного интенсивного вихревого жгута к менее концентрированному кольцевому вихрю, который генерирует заметно более слабые пульсации давления в потоке.??В ходе экспериментального моделирования закрученного потока и прецессирующих вихревых структур в коническом диффузоре с использованием современной системы высокоскоростной визуализации Photron FASTCAM SA5 было обнаружено явление формирования возмущений вихревой трубки, распространяющихся по ней против направления основного потока. Анализ высокоскоростной визуализации позволил классифицировать данные возмущения как распространяющиеся пакеты волн Кельвина. Было обнаружено три различных волновых моды это m = 0, осесимметричная деформация в форме утоньшения вихревой спирали, m = 1 не осесимметричная изгибная мода, имеющая форму левовинтовой спирали и m = 2 не осесимметричное уплощение вихря, приводящее к его расщеплению на два ядра. Было установлено, что скорость распространения волн зависит от их начальной амплитуды (для m =1, 2) а для m =0 практически постоянна. Полученные данные качественным образом подтверждают большое количество аналитических расчётов (Maxworthy, 1985; Arendt, 1997; Alekseenko. 2007), описывающих формирование малых возмущений на вихревых трубках. ??Определены закономерности деформации границы раздела двух несмешиваемых жидкостей в ограниченном вихревом потоке. Выявлено, что деформация границы раздела не зависит от кинематической вязкости и отношения несмешивающихся компонентов, она зависит от скорости вращения диска и разницы в плотностях двух жидкостей. Наклон кривых высоты деформации границы раздела определяется угловой скоростью вращения диска и не зависит от объемных соотношений двух несмешиваемый жидкостей.?Обнаружен эффект гистерезиса двухкомпонентного и двухфазного вихревого течения. Получено соотношение для ширины гистерезиса у верхнего вращающегося диска, которое помогает предсказать важные характеристики гистерезиса. Экспериментально показано, что гистерезис проявляется только в стационарном режиме вихревого движения, и когда граница раздела близка к поверхности вращающегося диска. Физическая причина гистерезиса - капиллярный эффект (Naumov et al., Physical Review Fluids, 2018). В работе зафиксировано новое физическое явление: образование приосевого водяного столба, отделенного от боковой стенки и простирающегося от дна до крышки цилиндра, имитирующее торнадо в жидкости. ?Определены общие закономерности возникновения рециркуляционных зон и их положение в двухкомпонентной системе несмешиваемых жидкостей. Установлено, что в верхней жидкости (масле) формируется распад вихря с зоной возвратного течения на оси, как для изотропной среды. Но наличие нижней жидкости, которая образует жидкое «дно», существенно влияет на условия формирование зоны рециркуляции. ??С использованием физико-математической модели пространственного турбулентного течения, процессов тепломассопереноса и горения твердого распыленного топлива в топочных устройствах ТЭС, основанной на смешанном эйлеро-лагранжевом описании двухфазной среды, проведено численное исследование трехмерной аэротермохимической структуры течения и всей совокупности топочных процессов при сжигании распыленного дальневосточного тощего угля марки «Т» в вихревой топке (для двух вариантов расчетов, отличающихся значением тонины помола тощего угля). Продемонстрировано, что общая аэротермохимическая структура реагирующего потока в топочном объеме достаточно близка к структуре течения, полученной ранее в численном моделировании для бурого угля. Также в расчетах подтверждается стабильность процесса горения пылеугольного факела в вихревой камере топки при подаче тощего угля. Сделан вывод о том, что проблемы сжигания низкореакционных тощих углей проявляются и для других типов топочных устройств, поэтому, при необходимости использования тощего угля, вполне перспективной для этой цели является технология высокотемпературного сжигания распыленного угольного топлива в вихревой топке.?В лабораторных условиях на примере воды (дисперсная фаза) и воздуха (несущая фаза) проведено исследование взаимодействия потока с высокоскоростной газовой струей, формирующей тороидальный вихрь, при диспергировании жидкости пневматической форсункой (Патент РФ 2523816). С применением современных оптических методов определен диапазон режимных параметров, обеспечивающих формирование устойчивого мелкодисперсного потока. Установлено, что в этих режимах угол раскрытия струи не зависит от расхода жидкости и давления несущей фазы. Полученные результаты позволяют прогнозировать параметры работы пневматической форсунки при диспергировании суспензионного топлива с достижением заданных характеристик газокапельного потока (дисперсный состав, отсутствие пульсаций, угол раскрытия факела), необходимых для эффективного сжигания суспензионного топлива.??Закончено исследование задачи по развитию квантовой турбулентности в неоднородных течениях. Получены поправки для уравнения Вайнена плотности вихревых линий в квантовой турбулентности в неоднородных течениях. На основании решения модернизированного уравнения получен результат по поперечным потокам и распределения плотности вихревых линий в широком канале (Nemirovskii, Phys. Rev. B, 2018). Проведено исследование постановки задачи квантовой турбулентности как в случае Бозе-Эйнштейновского конденсата, так и в сверхтекучем гелии, выполнен сравнительный анализ различных подходов (Nemirovskii, Quantum Electronics, 2018).) Исследована динамика квантовых вихревых петель после реконнекции. На основе метода вихревых нитей проведено моделирование динамики вихревых петель после реконнекции при температурах от 0 до 1.9 К.?Определены скорости разбегания ближайших элементов образованной вихревой петли и ее геометрической конфигурации в момент после осуществления реконнекции. (Andryushenko, Kondaurova, Low Temp. Physics, 2018). Получено, что уравнение Вайнена более корректно описывает время развития вихревого клубка и зависимость времени вскипания сверхтекучего гелия от плотности теплового потока (Kondaurova, Low Temp. Physics,2018).??Проведено моделирование истечения сверхкритической воды в широком диапазоне давлений и температур. Определены характерные параметры возникающих волн давления во внешней среде в зависимости от параметров истекающей воды. Построены соответствующие режимные карты в зависимости от относительного перепада давления «сосуд высокого давления – окружающее пространство». Развита предложенная ранее релаксационная модель для описания тепловых и динамических процессов, возникающих в результате разгерметизации сосудов, заполненных водой под высоким давлением. Проведенное сравнение результатов численного моделирования процессов при истечении газа в заполненную жидкостью область с приближенными аналитическими решениями показало хорошее согласие. Численно обнаружена «немонотонность» в зависимости размера полости от отношения диаметра сопла к диаметру канала при истечении газа в тяжелый металл (Lezhnin et al., Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 2018). При проведении сравнительного численного моделирования процесса истечения газа в различные жидкости с использованием двухскоростной модели и односкоростной модели с VOF-методом выявлены преимущества и недостатки каждой модели. ??По результатам исследований подготовлено и опубликовано в отчетном году 13 статей, индексируемых базой данных WOS и/или Scopus и базой данных РИНЦ. Среди них две статьи из перечня Q1 по SJR (Physical Review Fluids и Physical Review B). Получено два свидетельства о гос. регистрации программы для ЭВМ. Результаты работы представлены на 12 международных и всероссийских конференциях. Научным коллективом представлено 19 докладов, в т.ч. – 3 пленарных, 12 устных и 4 стендовых докладов.??По итогам работы над проектом подготовлена монография Вихревые явления и их влияние на процессы переноса / под ред. С. В. Алексеенко и И. В. Наумова; Ин-т теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН. – Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2018. – 362 с. ISBN 978-5-4437-0808-9. В монографии представлены результаты исследований, направленных на выявление и систематизацию общих закономерностей фундаментальной проблемы интенсификации тепломассообмена на основе применения вихревых и пленочных течений выполненные сотрудниками лаборатории проблем тепломассопереноса Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. В монографии рассмотрен ряд проблем: влияние характеристик и структуры концентрированных вихрей на интенсивность тепломассопереноса в замкнутых, интенсивно закрученных вихревых и течениях, характерных для теплоэнергетического оборудования; теплообмен в сверхтекучем гелии при охлаждении криогенных устройств (мощных сверхпроводящих магнитов, радиоэлектронных устройств, космических систем и т.д.); вихреобразование, диспергирование жидкости, тепломассоперенос, волновые явления при истечении вскипающих струй жидкости.