Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2017
Ключевые слова: турбулентность, многофазные течения, кластеризация, крупномасштабные вихревые структуры, large eddy simulation, particle image velocimetry
Аннотация: С использованием современных оптических методов измерения поля скорости и концентрации на основе анемометрии по изображениям частиц, регистрации локальной лазерно-индуцированной флуоресценции, регистрации интенсивности локального спонтанного комбинационного рассеяния и на основе прямого численного моделирования спектральным методомПоказать полностьюпроведено исследование особенностей динамики потока осесимметричных струй, истекающих в затопленное пространство с газом отличной плотности (воздух-воздух, воздух-углекислый газ, воздух-гелий, воздух-неон).?Для импульсной струи воздуха, вытекающей в воздух, гелий или углекислый газ показано, что передний фронт струи воздуха распространяется в гелии с более высокой скоростью, чем в воздухе или углекислом газе, что объясняется существенным различием в плотности воздуха и гелия. Сравнение с литературными данными показало, что динамика переднего фронта струи определяется отношением плотностей газов, а не числом Рейнольдса или характеристиками турбулентности на кромке сопла. Для стационарного струйного течения показано, что струя для случая «воздух-гелий» обладает более высокой дальнобойностью по сравнению с остальными случаями, при этом уровень турбулентных пульсаций оказывается немного ниже. Последнее вызвано тем, что для случая «воздух-гелий» локальное число Рейнольдса в слое смешения уменьшается из-за низкой плотности гелия, и начинает влиять на турбулентный перенос.?В щелевом следе при обтекании цилиндра идентифицированы несколько групп энергонесущих когерентных вихревых структур: 1. Перед цилиндром реализуется система квазиламинарных нестационарных подковообразных вихрей, которые существенно влияют на тепломассоперенос в этой области. 2. В зоне рециркуляции закономерно реализуется квазипериодическое движение, которое связано с последовательным срывом вихрей с противоположных кромок цилиндра, что приводит к формирования вихревой дорожки Кармана. Кроме того, зафиксировано низкочастотное периодическое движение в поперечном направлении, т.е перпендикулярном параллельным стенкам плоского канала. Последняя группа вихревых структур, которая присутствует в этом классе течений, проявляется в дальней области следа и вызвана взаимодействием осциллирующего поперек движения потока, узкими стенками и процессом вовлечения окружающей жидкости в ядро потока. Эти продольные вихревые структуры были прежде обнаружены в конфигурации щелевой струи на прежних этапах выполнения проекта и детально изучены численно (LES) и экспериментально (Tomo-PIV). Первые результаты для текущей конфигурации показали, что существует однозначная связь между этими вихревыми структурами и высоким значениями теплового потока на стенке.?При помощи численного моделирования методом крупных вихрей были исследованы процессы распространения примеси в щелевой струе. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными измерениями, показывая присутствие в потоке крупных квазидвумерных вихрей и эффектов меандрирования струи. Показана роль эффектов взаимодействия пограничных слоев и слоев смешения вблизи выходного сопла. Выявлен эффект усиления пульсаций нормальной к стенке щели компоненты скорости в дальней области струи, локализованный в прилегающих к стенкам щели областях, где следует ожидать максимальной генерации энергии турбулентности. В этих же областях на внешней границе струи обнаружены эффекты контрградиентного переноса.?Впервые при помощи метода Tomographic PIV в квазидвумерном следе за цилиндром измерены мгновенные трехмерные трехкомпонентные (3D-3C) распределения скорости в объеме потока. На основании 3D экспериментальных данных и анализе 3D распределений Q-критерия зафиксированы несколько типов вихревых структур. Показано, что в квазидвумерном следе за цилиндром формируются три типа вихревых структур: подковообразные вихревые структуры, вихревые структуры Кельвина-Гельмгольца, а также продольные вихревые структуры, образующиеся в результате взаимодействия вихревых структур К-Г со стенкой канала. Проведена апробация методов PLIF и PIV в виде серии экспериментов по одновременному измерению мгновенных полей скорости и концентрации/температуры в квазидвумерном следе за цилиндром. Получена база экспериментальных данных, содержащая одновременно измеренные мгновенные поля скорости и концентрации и позволяющая рассчитывать смешанные статистические моменты «скорость – концентрация».?Анализ свойств решений кинетического уравнения для функции плотности вероятности скорости частицы позволил найти характерный размер области нелокальности статистического режима скорости, равный характерному пути торможения частицы (произведение динамической скорости и времени релаксации частицы), который в единицах стенки совпадает с единственным критерием, определяющим динамику частиц, – числом Стокса. В отличие от статистических моментов скорости среды, имеющих автомодельное поведение в логарифмическом слое, статистические моменты скорости частиц становятся универсальными функциями отношения расстояния до стенки к числу Стокса. При этом число Стокса также является характерным размером слоя вблизи стенки, в котором существенно влияние инерционности частиц при их взаимодействии с турбулентностью. Асимптотический анализ решений кинетического уравнения для ФПВ скорости частицы в турбулентном течении в плоском канале позволил получить общие выражения для концентрации инерционных частиц и статистических моментов скорости частиц в вязком подслое, логарифмическом слое и внешней области. Анализ выражений для концентрации частиц показал, что в зависимости от числа Стокса, основная масса частиц может скапливаться в вязком подслое, приводя к локализации частиц у стенки при некотором критическом числе Стокса, предсказанной в работе (Belan et al., 2014). Учёт конечного радиуса частицы приводит к тому, что переход «локализация-делокализация» становится более плавным, в отличие от резкого перехода в работе (Belan et al., 2014). Предложен критерий аккумуляции частиц, для которого получено аналитическое выражение, показывающее резкий рост концентрации частиц в вязком подслое на почти 3 порядка величины при росте числа Стокса от 1 до 27, что согласуется с имеющимися данными DNS/Лагранжева траекторного моделирования. Проанализировано влияние размера частицы на явление аккумуляции. Показано, что увеличение радиуса частицы ослабляет эффект аккумуляции и уменьшает пик концентрации на стенке. Получено аналитическое выражение, хорошо описывающее профиль концентрации частиц в вязком подслое для чисел Стокса, больших 10.??По результатам выполнения этапа проекта в 2017г. опубликовано 10 журнальных статей, 1 принята к печати, в том числе в таких журналах, как Experimental Thermal and Fluid Science, Journal of Porous Media и др.