Год издания: 2017
Ключевые слова: турбулентность, многофазные течения, кластеризация, крупномасштабные вихревые структуры, large eddy simulation, particle image velocimetry
Аннотация: Проект является логичным продолжением предыдущего трехлетнего цикла работ по экспериментальному и теоретическому изучению механизмов самоорганизации, взаимного влияния мелкомасштабных и крупномасштабных структур, а также дисперсной фазы в турбулентных потоках. Развитие поставленных задач в сторону расширения диапазона параметров изПоказать полностьюучаемых явлений, усложнения граничных условий, а также учета новых эффектов, в частности, стратификации по плотности, представляется возможным благодаря полученному авторами объему новых результатов, а также прогрессу, достигнутому в рамках предыдущего трехлетнего цикла проекта по совершенствованию новых методов исследования. Как использованные современные методы численного моделирования турбулентных течений, так и оптические экспериментальные методы – PIV и LIF, разработкой которых авторы проекта занимаются в течение длительного периода, были в существенной степени адаптированы к исследуемым задачам, прошли широкую верификацию и в ряде случаев модифицированы.??Продолжение проекта предполагает проведение исследований по трем направлениям. ??Блок 1 «Осесимметричные струи»:?В предыдущем периоде в рамках проекта были детально количественно исследованы свойства спиральных возмущений, распространяющихся вниз по течению, суперпозиция которых хорошо отображает динамику осесимметричной турбулентной струи. В 2017-2018 гг. при помощи моделирования уравнений Навье-Стокса методом крупных вихрей будет исследовано влияние стратификации на основные энергонесущие вихри в потоке, т.е. изучено влияние разности температуры/плотности между струей и вовлекаемым газом на доминирующие динамические процессы, определяющие тепломассоперенос в затопленных свободных осесимметричных струях. С использованием панорамных оптических методов PIV (particle image velocimetry) и PLIF (planar laser-induced fluorescence) будет проведено исследование динамики потока и крупномасштабных вихревых структур в затопленной стратифицированной (с положительной и отрицательной плавучестью) осесимметричной струе. Плавучесть будет варьироваться путем изменения состава газа струи и спутного потока. Будет проанализировано влияние действия сил плавучести на развитие сдвиговой неустойчивости в потоке и проанализирован обмен кинетической энергией между субгармониками и кратными гармониками основной частоты на основе скоростных PIV измерений. Исследования будут проведены также и в условиях наложения внешних периодических возмущений (расхода струи) с целью управления переносом и перемешиванием в стратифицированной струе при вынужденном формировании вихревых структур. Будет получена информация о турбулентном переносе и степени перемешивания в стратифицированной струе на основе совместных PIV и PLIF (примесь кетона) измерений. ??Блок 2 «Квазидвумерные струйные течения»:?В предыдущем периоде в рамках проекта были впервые обнаружены продольные вихревые структуры в струйных течениях, распространяющихся в узких зазорах, которые в существенной степени определяют интенсивность тепломассопереноса. В настоящем проекте будет выполнено комплексное физическое и компьютерное моделирование процессов турбулентного переноса пассивной примеси в струйном щелевом течении, в том числе с цилиндрическим препятствием. Будет исследован анизотропный характер турбулентного переноса пассивной примеси в условиях нелокального воздействия формирующихся крупномасштабных вихревых структур и вторичных течений. Как известно, такой перенос не описывается стандартными градиентными моделями RANS, широко используемыми для решения прикладных задач. На практике квазидвумерные течения в узких каналах являются элементами конструкции многих энергетических установок, химических реакторов и др., сопряженных с процессами тепло- и/или массообмена. Поэтому указанные исследования носят и прикладной характер, и могут быть основой для управления процессами переноса с целью оптимизации дизайна и повышения эффективности работы энергетических и др. установок.??Блок 3 «Частицы в пристенной турбулентности»?Предполагается продолжить начатое в Проекте 2014 исследование явления аккумуляции частиц в пристенной турбулентности, в рамках которого будет построена отсутствующая на сегодняшний день теория подобия турбулентного течения со взвешенными инерционными частицами в плоском канале. Будут получены универсальные законы подобия для концентрации и статистических моментов скорости частиц с учётом степенной сингулярности концентрации на стенке. Будет выведен универсальный профиль концентрации частиц в пристенной турбулентности. Задача построения теории подобия пристенной турбулентности со взвешенными частицами имеет большую научную значимость, так как универсальные закономерности статистических характеристик для канонических турбулентных течений, полученные из соображений размерности и подобия, необходимы как для тестирования настоящих и будущих моделей замыкания турбулентных двухфазных течений, так и для обработки экспериментальных данных с использованием подходящих масштабов для обезразмеривания величин.?