close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Численное и физическое моделирование ламинарно-турбулентного перехода в каналах с препятствиями

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Охотников Дмитрий Иванович
ЧИСЛЕННОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИОВАНИЕ
ЛАМИНАНО-ТУБУЛЕНТНОО ПЕЕХОДА
В КАНАЛАХ С ПЕПЯТСТВИЯМИ
Специальность 01.02.05 ѕМеханика жидкости, газа и плазмыї
Автореерат
диссертации на соискание учјной степени
кандидата изико-математических наук
Казань 2018
абота выполнена на каедре аэрогидромеханики института математики и
механики им. Н.И. Лобачевского ФАОУ ВО ѕКазанский (Приволжский)
едеральный университетї.
Научный руководитель:
доктор изико-математических наук,
проессор
Мазо Александр Бенцианович
Научный консультант:
доктор технических наук,
старший научный сотрудник
Молочников Валерий Михайлович
Оициальные оппоненты:
Усачов Александр Евгеньевич,
доктор изико-математических наук,
Научно-исследовательский Московский ком
плекс ЦАИ,
старший научный сотрудник
Щукин Андрей Викторович,
доктор технических наук, проессор,
Федеральное
государственное
бюджет
ное образовательное учреждение высшего
образования ѕКазанский национальный ис
следовательский технический университет
им. А.Н. Туполева-КАИї,
проессор каедры теплотехники и энергети
ческого машиностроения
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное об
разовательное учреждение высшего образова
ния ѕСанкт-Петербургский государственный
университет гражданской авиацииї
Защита состоится 29 марта 2018 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссер
тационного совета Д 212.081.11 при Казанском (Приволжском) едераль
ном университете по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 35, второй
корпус КФУ, ауд. 610.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского (Приволж
ского) едерального университета. Электронный вариант диссертации и
автореерата размещен на сайте http://www.kpfu.ru.
Автореерат разослан
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д 212.081.11,
канд. из.-мат. наук, доцент
2018 года.
А.А. Саченков
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Ламинарно-турбулентный переход (ЛТП), как направление механи
ки жидкости и газа, в течение многих десятилетий вызывает неизменный
интерес исследователей. ЛТП наблюдается в задачах внешней (обтекание
крыловых проилей, лопаток турбин) и внутренней (течения в трубах, ка
налах, теплообменниках) аэродинамики. Этот процесс представляет прак
тический и теоретический интерес, в частности, потому что он сопровож
дается резким увеличением сопротивления и интенсивности теплообмена.
Понимание механизмов ламинарно-турбулентного перехода важно при про
ектировании теплообменных и летательных аппаратов.
Изучению ламинарно-турбулентного перехода посвящено множество
теоретических и экспериментальных работ. В работах Н.В. Никитина,
T. Miyazaki, K. Shigeo путем прямого численного моделирования изучен
механизм естественного перехода к турбулентности в трубах. Значитель
ный вклад в развитие численного моделирования турбулентных потоков
внесли М.Х. Стрелец, Е.М. Смирнов, С.А. Исаев, А.Е. Усачов и др. Ис
следованию ЛТП в сверхзвуковом потоке при взаимодействии с ударными
волнами посвящены работы В.Я. Нейланда , И.И. Липатова, Д.А. Люби
мова. Процесс перехода к турбулентности в плоских каналах и каналах
с препятствиями исследован в работах Б.Л. ождественского, Z. Yang,
G. Papadakis, N. Kanaris., H. Badr и др.
Среди современных экспериментальных исследований перехода к тур
булентности следует отметить работы А.В. Бойко, А.В. Довгаля, В.В. Коз
лова, .В. река, Ю.С. Качанова, А.В. Ваганова, Б.Ю. Занина и др.; вли
яние ЛТП на структуру течения и теплообмен в каналах с препятствиями
изучено в работах Н.И. Михеева, А.В. Щукина, M. Denham, B. Armaly.
Как теоретический, так и экспериментальный подход к изучению
ЛТП обладает рядом достоинств и недостатков. Теоретический подход поз
воляет провести глубокий анализ изучаемого течения, но при этом огра
ничен потоками простых конигураций. Вихреразрешающие численные
методы позволяют моделировать сколь угодно сложные течения, но при
этом требуют больших вычислительных затрат и вериикации получен
ных результатов. Экспериментальные методы наглядны и способствуют
пониманию изической сущности явления, но ограничены своей разреша
ющей способностью и сложностью проведения эксперимента. езультаты,
представленные в большинстве научных работ, получены при достаточно
больших числах Re > 104 , что заставляет авторов прибегать к моделям
турбулентности, использующим эмпирические данные, либо наоборот, при
слишком малых Re < 102 , где течение ламинарно. Анализ публикаций по
ЛТП свидетельствует, что на сегодняшний день не сормировалось единое
представление о механизмах образования пристеночных вихрей и перехо
3
де к турбулентности в следе за препятствиями в каналах. Таким образом,
изучение процесса возникновения турбулентности при отрыве потока за
препятствием в каналах на основе комплексного численно-эксперименталь
ного подхода является актуальной задачей.
Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное
исследование ламинарно-турбулентного перехода в каналах с препятстви
ями цилиндрической ормы при умеренных числах ейнольдса, а также
разработка эективной численно-экспериментальной методики определе
ния основных гидродинамических и статистических характеристик изуча
емого явления.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих за
дач:
1. азработать эективную численно-экспериментальную методи
ку для определения теплообменных, гидродинамических и стати
стических характеристик ЛТП в каналах с препятствиями цилин
дрической ормы для умеренных чисел ейнольдса вплоть до 500.
2. Провести численное моделирование течения в канале с попереч
ным выступом на стенке. Выполнить вериикацию полученного
решения по данным эксперимента. Сормулировать критерий пе
рехода к турбулентности и проанализировать влияние ламинарно
турбулентного перехода на теплообмен.
3. Провести численное и изическое моделирование течения в кана
ле с поперечным цилиндрическим препятствием вблизи стенки.
Выполнить вериикацию полученных результатов. Проанализиро
вать структуру течения в следе за препятствием и определить при
чины ЛТП.
4. Провести численное моделирование течения в канале с перемен
ным расходом. Выполнить вериикацию полученного решения по
данным эксперимента. Определить влияние наложенной нестацио
нарности на структуру потока и теплообмен.
Mетодология и методы исследования. Для решения поставлен
ных задач используются подходы механики жидкости, газа и плазмы, а
также численные методы решения нелинейных задач механики. Экспери
ментальная часть диссертации выполнялась на инструментальной базе ла
боратории гидродинамики и теплообмена Казанского научного центра ос
сийской академии наук.
Научная новизна:
1. Проведено численное моделирование течения в канале с попереч
ным выступом на стенке при умеренных числах ейнольдса. На
основании анализа структуры течения за выступом, сормулиро
ван критерий ламинарно-турбулентного перехода. Показано опре
деляющее влияние угловых спиралевидных вихрей на ЛТП. Уста
новлено, что переход к турбулентности в следе за препятствием
4
приводит к приросту теплоотдачи до 40% по сравнению с гладким
каналом.
2. Проведено численное и изическое моделирование течения в ка
нале с поперечным цилиндрическим препятствием вблизи стенки
при умеренных числах ейнольдса. Установлено значение критиче
ского числа Re? , при котором в следе за препятствием происходит
переход к турбулентности. Показано, что причиной ЛТП является
потеря устойчивости плоского течения, которая приводит к суще
ственной трехмерности потока в следе. Выявлена немонотонная
зависимость Cd (Re).
3. Проведено численное моделирование течения в канале с перемен
ным расходом для чисел Струхаля Sh = 0.1 ч 0.44 и безразмерной
амплитуды ? = 0.07 ч 0.3. Впервые показано, что за счет наложен
ной нестационарности можно обеспечить интенсиикацию тепло
отдачи за поперечным полуцилиндрическим препятствием в кана
ле до 60% по сравнению со стационарным режимом.
Практическая значимость. азработанная численно-эксперимен
тальная методика для определения гидродинамических и статистических
характеристик ЛТП может применяться к течениям в каналах с препят
ствиями различных конигураций. езультаты моделирования теплообме
на в канале с поперечным препятствием на стенке могут быть использова
ны при проектировании теплообменных аппаратов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Численно-экспериментальная методика для определения тепло
обменных, гидродинамических и статистических характеристик
ЛТП в каналах с препятствиями цилиндрической ормы для уме
ренных чисел ейнольдса вплоть до 500.
2. езультаты численного моделирования течения в канале с попе
речным выступом на стенке. Описание механизма ламинарно-тур
булентного перехода в следе за препятствием.
3. езультаты численного и изического моделирования течения в
канале с поперечным цилиндрическим препятствием вблизи стен
ки. Описание вихревой структуры потока в следе за препятствием.
4. езультаты численного моделирования течения в канале с пере
менным расходом. езультаты исследования влияния наложенной
нестационарности потока на теплообмен.
Достоверность полученных результатов обеспечивается адекват
ным применением классических методов механики сплошной среды, ос
нованных на ундаментальных законах сохранения, а также численных
методов, используемых для нахождения приближенного решения системы
диеренциальных уравнений. Достоверность экспериментальных резуль
татов обеспечивается использованием аттестованного оборудования, апро
бированных методик и средств измерения гидродинамических параметров
5
потока. Полученные в работе результаты согласуются друг с другом, а
также с результатами других исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались
и обсуждались на 13 конеренциях и семинарах: X, XI Международные
конеренции по неравновесным процессам в соплах и струях, г. Алушта,
Крым, 2014, 2016; IX, X Школы-семинары молодых ученых и специалистов
академика АН В.Е. Алемасова, г. Казань, 2014, 2016; Шестая российская
национальная конеренция по теплообмену (НКТ - 6), г. Москва, 2014;
V международная конеренция ѕТеплообмен и гидродинамика в закру
ченных потокахї, г. Казань, 2015; XXIV Всероссийский семинар с между
народным участием ѕСтруйные, отрывные и нестационарные теченияї, г.
Новосибирск, 2015; XI Всероссийский съезд по ундаментальным пробле
мам теоретической и прикладной механики, г. Казань, 2015; Шестнадцатая
Международная школа-семинар ѕМодели и методы аэродинамикиї, г. Ев
патория, 2016; Видеосеминар по аэромеханике ЦАИ ИТПМ СО АН СПбПУ НИИМ МУ, г. Казань, 2016; II Всероссийская научная коне
ренция ѕТеплоизика и изическая гидродинамикаї с элементами школы
молодых ученых, г. Ялта, Крым, 2017; Всероссийская научная конерен
ция с элементами школы молодых ученых ѕXXXIII Сибирский теплоизи
ческий семинар посвященный 60 летию Института теплоизики им. С. С.
Кутателадзе СОАНї, г. Новосибирск, 2017; XXI школа-семинар молодых
ученых и специалистов под руководством академика АН А. И. Леонтьева,
г. Санкт-Петербург, 2017.
Личный вклад. Автор принимал участие в постановке задач и об
суждениях результатов исследования. Все расчеты, а также эксперименты
по поперечному обтеканию цилиндрического препятствия вблизи стенки в
канале и их обработка проведены лично автором. Эксперименты по обте
канию препятствия на стенке канала стационарным и пульсирующим пото
ком выполнены А.В. Малюковым. Все результаты, выносимые на защиту,
принадлежат автору.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены
в 23 печатных изданиях, 6 из которых в рецензируемых журналах, реко
мендованных ВАК. Шесть статей опубликованы в журналах, индексируе
мых в системах цитирования Sopus и Web of Siene.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,
четырјх глав и заключения. Полный объјм диссертации составляет 127
страниц, включая 75 рисунков. Список литературы содержит 167 наимено
ваний.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность исследований, проводи
мых в рамках данной диссертационной работы, приводится обзор научной
6
литературы по изучаемой проблеме, ормулируются цель и задачи рабо
ты.
Первая глава посвящена математической ормулировке задачи и
описанию методики еј решения.
В параграе 1.1 ормулируется изическая постановка задачи,
включающая в себя описание расчетной области течения и характерные
значения определяющих параметров задачи, динамические и температур
ные граничные условия. абочей средой является воздух. Приводится по
дробное описание рабочего участка установки, результаты эксперимента в
котором используются для построения численно-экспериментальной мето
дики и вериикации результатов расчета.
В параграе 1.2, в рамках представлений механики сплошной среды,
в размерной и безразмерной постановке ормулируется математическая
задача о течении вязкой, несжимаемой, теплопроводной жидкости. В еј
основу положена система уравнений Навье-Стокса и уравнение конвектив
ной теплопроводности. Основными критериями подобия модели являются
числа ейнольдса Re и Пекле Pe.
Приводятся основные характеристики гидродинамического и тепло
вого взаимодействия потока со стенками канала и препятствием: число
Nu, коэициенты трения Cf , давления Cp , сопротивления Cd , а также
теплогидравлическая эективность G.
Для анализа статистических характеристик турбулентного течения,
в работе используется подход Б.Л. ождественского, согласно которому
средние величины не зависят от времени и вычисляются по ормуле
1
f=
Te
ZTe
f (t)dt,
(1)
0
где Te период осреднения, намного превышающий масштаб нестационар
ности, а любое отклонение от установившегося течения при стационарных
граничных условиях трактуется как турбулентные пульсации, определяе
мые по ормуле
f ? (t) = f (t) ? f .
(2)
Основными турбулентными характеристиками, используемыми в работе,
являются тензор напряжений ейнольдса ? , его второй инвариант I , тур
булентный поток тепла QT , а также энергетический спектр E(k). Эти ха
рактеристики вычисляются по полям пульсаций скорости и температуры.
В параграе 1.3 детально описана методика численного решения за
дачи, сормулированной в параграе 1.2. Особенности изучаемого тече
ния, такие как умеренные числа Re < 500 и локализация ЛТП в следе
за препятствием, позволяют использовать прямое численное моделирова
ние (DNS) для решения поставленной задачи на композитных сетках с
7
адаптивным сгущением (ис. 1). Подробно описанный в параграе алго
ритм построения композитной сетки в генераторе HybMesh1 позволяет су
щественно сократить число расчетных ячеек и проводить моделирование
ЛТП на персональном компьютере. Общее количество расчетных элемен
тов сеток, используемых в работе, не превышает значения 1.5 · 106 , при
этом пространственный и временной шаг интегрирования в исследуемом
диапазоне чисел Re соответствует по порядку величины колмогоровским
масштабам диссипативных вихрей:
0.01 < ? = Re?3/4 < 0.017,
ис.
1 Фрагмент
Вид изнутри канала.
0.046 < ? = Re?1/2 < 0.067.
трехмерной
сетки
в
окрестности
(3)
препятствия.
Для решения определяющей системы уравнений применяется па
кет вычислительной гидродинамики ANSYS Fluent 14.5. Интегрирова
ние системы уравнений Навье-Стокса проводится при помощи алгоритма
SIMPLE, а для вычисления статистических характеристик течения и унк
ционалов от них были написаны специальные ункции UDF. Вычисления
проводились в два этапа: на первом вычислялись и сохранялись в айл
средние поля скорости, температуры и давления. На втором этапе задача
решалась вновь, при этом для вычисления пульсаций использовались уже
подсчитанные средние.
В параграе 1.4 описывается методика проведения изических экс
периментов, выполненных на оригинальной установке, разработанной в ла
боратории гидродинамики и теплообмена Казанского научного центра ос
сийской академии наук. В работе используются два метода визуализации
течения. Метод дымящейся проволочки, основанный на введении в поток
струек дыма, позволяет получать качественную картину течения: динами
ку вихреобразования, размер отрывной зоны, частоту схода вихрей. Для
1 Kalinin E.I., Mazo A.B., Isaev S.A. Composite mesh generator for CFD problems //
IOP Conf. Series: Materials siene and engineering. 2016. V. 158. P. 16.
8
получения количественной инормации о течении, такой как поля скоро
стей и пульсаций, применяется метод SIV, использующий высокоскорост
ную видеокамеру и лазер непрерывного действия, выступающий в роли
светового ножа. Этот подход базируется на обработке последовательности
изображений и анализе перемещения вихревых структур за время, равное
межкадровой задержке.
Вторая глава посвящена анализу результатов численного и изиче
ского моделирования течения в канале с полуцилиндрическим выступом
на подогреваемой нижней стенке.
В параграе 2.1 приводятся результаты вериикации численной схе
мы, полученные путем сравнения с результатами эксперимента. Примени
мость численной схемы подтверждается удовлетворительным согласовани
ем качественной картины ЛТП, включая размеры отрывных зон и частоту
схода вихрей (ис. 2), а также проилей скорости в следе за препятстви
ем (ис. 3), при этом расчетные и экспериментальные проили моментов
второго порядка u?i u?j также удовлетворительно согласуются.
a
PSfrag replaements
b
ис. 2 езультаты визуализации (сверху) и расчета (снизу) мгновенной карти
ны течения при ЛТП за полукруговым выступом в плоскости симметрии канала:
а Re = 270; b Re = 480.
y
y
a
b
Sfrag replaements
u
u
ис. 3 Эпюры продольной скорости: 1 расчет, 2 эксперимент (PIV),
Re = 480; a x = 2; b x = 4.
9
В параграе 2.2 детально описывается структура течения в канале.
Она характеризуется отрывом потока от препятствия и образованием пары
a
Sfrag replaements
b
ис. 4 Спиралевидные траектории частиц на режиме зарождения турбулент
ности при Re = 270.
спиральных угловых вихрей (см. ис. 4), которые при Re > Re? ? 280 взаи
модействуют друг с другом, провоцируя ормирование вихревых сгустков
на оси канала, их распад и переход к турбулентности. Такое взаимодей
E
ements
Cd
PSfrag replaements
Sh
ис. 5 Энергетический спектр
пульсаций скорости течения в
следе за препятствием в точ
ке (10; 1; 0) : 1 Re = 270;
2 Re = 480.
Re
ис. 6 Зависимость коэици
ента сопротивления препятствия
и нижней стенки канала от числа
ейнольдса.
ствие происходит, если поперечный размер спиральных вихрей достигает
половины ширины канала. Анализ поля интенсивности турбулентных на
пряжений показывает, что ближний след за препятствием остается лами
нарным, а турбулентные пульсации сосредоточены в пятне, расположен
ном в среднем следе. Вниз по течению турбулентные пульсации затухают.
ЛТП в следе за препятствием сопровождается наполнением энергетическо
го спектра с ростом числа Re (ис. 5) и характерным для него немонотон
ным поведением коэициента сопротивления (ис. 6).
В параграе 2.3 изучается влияние ЛТП на теплообмен. ассчиты
ваются распределения коэициента теплоотдачи Nu и турбулентного по
10
тока тепла QT (см. ис. 7). Осреднение числа Nu на подогреваемой стенке
eplaements
a
b
ис. 7 Осредненные характеристики турбулентного течения при Re = 480:
a коэициент теплоотдачи Nu; b турбулентный поток тепла QT .
при различных числах Re показало, что зона локальной турбулентности
в среднем следе за препятствием характеризуется повышенными значени
ями теплоотдачи (до 47%) и трения (до 137%) по сравнению с гладкой
стенкой, при этом теплогидравлическая эективность G незначительно
возрастает.
В третьей главе проводится анализ результатов численного и изи
ческого эксперимента для изотермического течения в канале с круговым
цилиндром, расположенным поперечно вблизи нижней стенки.
a
b
ис. 8 Визуализация течения в плоскости xOy , Re = 235 : a частицы (расчет);
b дымовой след (эксперимент).
В параграе 3.1 проводится вериикация численной схемы путем
сравнения с результатами экспериментов, выполненных автором. Примени
мость численной схемы подтверждается удовлетворительным согласовани
ем картины течения (ис. 8), эпюр средней скорости в различных сечениях,
а также проилей пульсаций скорости в следе за препятствием (ис. 9), по
лученных в расчетах и экспериментах. Согласование наблюдается во всем
исследуемом диапазоне чисел ейнольдса. Преимущество использования
композитных сеток, позволяющих проводить адаптацию сетки в областях
11
y
y
replaements
a
b
u? v ?
v? v?
ис. 9 Эпюры моментов второго порядка: u? v ? и v ? v ? : 1 наш расчет,
2 эксперимент (SIV); Re = 235, x = 4.
ЛТП, иллюстрируется на примере сравнения с результатами работы 2 , в
которой проводится численное решение подобной задачи (цилиндр равно
удален от стенок канала) на суперкомпьютере на сетках размерности 7·106,
заведомо обеспечивающих разрешение диссипативных вихрей (условие (3))
во всей расчетной области. Использование сеток с локальным сгущением,
принятое в диссертации, позволяет сократить размерность сетки в 5 раз,
без потери точности получаемого решения.
В параграе 3.2 изучаются режимы течения в следе за цилиндром
вблизи стенки канала при различных числах ейнольдса. Для Re = 135
течение ламинарно, за цилиндром образуется пара стационарных вихрей.
С увеличением числа Re до 167, течение в следе за цилиндром перестает
быть стационарным: происходит ормирование несимметричной вихревой
дорожки Кармана. Вихри сходят только с верхней щеки цилиндра, нижний
ряд вихрей подавляется струйным течением в зазоре между цилиндром и
нижней стенкой канала. При числе Re = 235 отрывная область начина
ет совершать колебания в вертикальной плоскости, а точка схода вихрей
перемещается вверх по потоку. Анализ поля интенсивности турбулентных
a
g replaements
b
z
z
u
x=5
x = 15
u
x=5
x = 15
ис. 10 Проили продольной скорости течения в следе за цилиндром:
x=2
x=2
a Re = 135; b Re = 275.
2 Niolas K., Dimokratis G., Starvos K. Three dimensional ow around a irular ylinder
onned in a plane hannel // J.Physis of Fluids. 2011. V. 23, ќ 6. P. 114.
12
напряжений в следе за цилиндром для Re = 235 и 275 показывает, что
ближний след ламинарен, а турбулентные напряжения сосредоточены в
пятне, протяженностью порядка шести диаметров цилиндра. Переход к
турбулентности происходит при Re? ? 235 вследствие потери устойчиво
сти плоского течения. Об этом свидетельствует появление локальных мак
симумов в проилях продольной скорости по ширине канала в следе за
цилиндром (см. ис. 10).
ЛТП в следе за препятствием, как и в случае задачи, рассмотренной
во второй главе, сопровождается наполнением энергетического спектра с
ростом числа Re (ис. 11) и характерным для него немонотонным поведе
нием коэициента сопротивления (ис. 12).
E
Cd
eplaements
PSfrag replaements
a
b
Re
Sh
d
ис. 12 Зависимость коэици
ис. 11 Энергетический спектр
ента сопротивления препятствия и
пульсаций скорости течения в
следе за препятствием в точке
(4; 1.5; 0) : 1 Re = 167; 2 Re = 275.
нижней стенки канала от числа
ейнольдса.
Четвертая глава диссертации посвящена анализу результатов чис
ленного и изического моделирования обтекания поперечного выступа в
канале пульсирующим потоком при умеренных числах Re до 500 и пара
метрах нестационарности Sh = 0.1 ч 0.44, ? = 0.07 ч 0.3.
В параграе 4.1 подробно описывается структура течения, получен
ная по результатам эксперимента, представленным в работе 3 . В отличие
от задачи, рассмотренной в главе 2, течение в следе за препятствием даже
для малых чисел Re из диапазона 69 ч 160 характеризуется сходом так
называемых разгонных вихрей. Они состоят из пары угловых спиральных
вихрей у боковых стенок и поперечного цилиндрического вихря вблизи
плоскости симметрии канала.
3 Калинин Е.И., Мазо А.Б., Малюков А.В., Молочников В.М., Охотников Д.И. Об
текание поперечного выступа в канале пульсирующим потоком при умеренных числах
ейнольдса // Известия АН. Механика жидкости и газа. 2017. ќ 6. P. 3141.
13
При малой частоте пульсаций Sh ? 0.1 характерный размер разгон
ных вихрей в вертикальной плоскости в два-три раза превышает высоту
препятствия. Эти вихри движутся непосредственно в пограничном слое
на нижней стенке канала за выступом. Увеличение числа Струхаля Sh
приводит к сокращению размеров разгонных вихрей и увеличению их ко
личества. При достижении значения Sh = 0.51 за выступом ормируется
замкнутая рециркуляционная область, по внешней границе которой дви
жутся разгонные вихри, не достигающие нижней стенки канала.
В параграе 4.2 приводятся результаты прямого численного модели
рования пульсирующего вихревого течения жидкости в канале с выступом.
Сопоставление результатов расчета и эксперимента (А.В. Малюков) пока
зано на ис. 13. В этом и во всех других случаях получено удовлетвори
тельное согласование результатов.
a
b
PSfrag replaements
ис. 13 Сопоставление результатов расчета (сверху) и эксперимента (снизу)
при Re = 228, Sh = 0.06, ? = 0.15: a в вертикальной плоскости симметрии
канала; b в горизонтальной плоскости на расстоянии y = 1 от нижней стенки.
Установлено, что с ростом числа Re протяженность цилиндрической
части разгонных вихрей увеличивается, а область спиралевидного движе
ния сокращается. Так, при Sh = 0.13 цилиндрическая часть вихря занимает
почти всю ширину канала (ис. 14, область A). Области спиралевидного
движения жидкости сокращаются и составляют в этом случае 10 ? 12%
от ширины канала. Оторвавшийся вихрь ниже по течению разбивается на
три вихревых сгустка (ис. 14, область B).
14
ис.
14
Формирование
и
сход
разгонного
Re = 274, Sh = 0.13, ? = 0.15 : B вихревые сгустки.
вихря
при
В параграе 4.3 обсуждается влияние наложенных пульсаций потока
на ЛТП и теплообмен. Проведенные численные эксперименты показывают,
что частота схода вихрей с поверхности препятствия всегда подстраива
ются под наложенную частоту пульсаций потока Sh. Это подтверждает
E
Sfrag replaements
E
Sh = Sh0
a
Sh = Sh0 /2
b
Sh
Sh
ис. 15 Сравнение частотных спектров при стационарном внешнем потоке (1)
и потоке с наложенными пульсациями (2): a Sh = Sh0 ; b Sh = Sh0 /2.
ся граиком энергетического спектра, построенного по результатам двух
расчетов с иксированным числом Re = 300 и амплитудой ? = 0.15. Ча
стота наложенных пульсаций в первом расчете совпадала с частотой схо
да вихрей при стационарном внешнем потоке Sh0 = 0.13, а во втором Sh0 /2 = 0.065. Как показано на ис. 15, наложенные пульсации потока
провоцируют появление новых высокочастотных гармоник в спектре по
сравнению со стационарным потоком и ускоряют наступление ЛТП. При
этом максимум интенсивности турбулентных пульсаций скорости I в следе
за препятствием увеличивается приблизительно вдвое.
асчеты показали, что наложенные пульсации потока интенсиици
руют теплообмен. При Re = 228 и стационарном внешнем потоке в следе за
препятствием наблюдается обширная застойная зона с низкими значения
ми числа Nu и коэициента трения Cf . Наложенные пульсации потока
с параметрами Sh = 0.12, ? = 0.15 существенно влияют на поля этих вели
15
чин (см. ис. 16). Осредненный коэициент теплоотдачи hNui возрос в
1.6 раза, а hCf i почти вдвое.
a
b
plaements
ис. 16 Осредненные по времени характеристики течения при Re = 228: a коэициент теплоотдачи Nu, b коэициент трения Cf , сверху пульсиру
ющее течение (Sh = 0.12, ? = 0.15), снизу стационарное.
В заключении приведены основные результаты работы:
1. азработана численно-экспериментальная методика определения
гидродинамических и статистических характеристик ЛТП в кана
лах с препятствиями цилиндрической ормы в диапазоне чисел
ейнольдса, не превосходящих 500. Методика подразумевает ис
пользование прямого численного моделирования (DNS) на гибрид
ных сетках, а также проведение изического эксперимента с ис
пользованием полевых методов исследования (SIV).
2. Проведено прямое численное моделирование течения в канале с по
перечным выступом на стенке. Вериикация результатов расчета
показала хорошее согласование с экспериментальными данными
как по качественной картине течения, так и по проилям его ста
тистических характеристик.
3. В результате подробного анализа структуры течения, сормулиро
ван критерий перехода к турбулентности. Показано определяющее
влияние угловых спиралевидных вихрей на ЛТП. Установлено, что
переход к турбулентности в следе за препятствием приводит к при
росту теплоотдачи до 40% по сравнению с гладким каналом.
4. Проведено прямое численное моделирование и изическое модели
рование течения в канале с поперечным цилиндрическим препят
ствием вблизи стенки. Вериикация результатов расчета показала
хорошее согласование с экспериментальными данными. Установле
но значение критического числа Re? , при котором в следе за пре
пятствием происходит переход к турбулентности. Показано, что
причиной ЛТП является потеря устойчивости плоского течения,
16
которая приводит к существенной трехмерности потока в следе.
Выявлена немонотонная зависимость Cd (Re).
5. Проведено прямое численное моделирование течения за препят
ствием в канале с переменным расходом для чисел Струхаля
Sh = 0.1 ч 0.44 и безразмерной амплитуды ? = 0.07 ч 0.3. Выпол
нена вериикация расчета по данным эксперимента, получено хо
рошее согласование результатов.
6. Показано, что за счет наложенной нестационарности можно обеспе
чить интенсиикацию теплоотдачи за поперечным полуцилиндри
ческим препятствием в канале до 60% процентов по сравнению со
стационарным режимом.
Публикации автора по теме диссертации
В изданиях из списка ВАК Ф
1.
,
,
,
,
Обтекание поперечного выступа в канале пульсирующим
потоком при умеренных числах ейнольдса // Известия АН. Меха
ника жидкости и газа. 2017. ќ 6. С. 3141.
Калинин Е. И. Мазо А. Б. Малюков А. В. Молочников В. М. Охот
ников Д. И.
2.
Калинин Е. И.
, Мазо А. Б., Охотников Д. И., Ермаков А. М. Меха
низм интенсиикации теплообмена при турбулизации потока за вы
ступом на стенке канала // Тепловые процессы в технике. 2015. Т. 7, ќ 5. С. 215221.
3.
Молочников В. М.
, Мазо А. Б., Малюков А. В., Охотников Д. И.,
Механизм перехода к турбулентности и управление
теплоотдачей в канале за препятствием // Тепловые процессы в тех
нике. 2015. Т. 7, ќ 5. С. 194198.
Паерелий А. А.
4.
5.
Прямое численное моделирование ламинарно-тур
булентного перехода на сетках с локальным сгущением // Ученые
записки Казанского университета. Серия Физико-математические на
уки. 2017. Т. 159, ќ 2. С. 216230.
Охотников Д. И.
, Молочников В. М., Мазо А. Б., Малюков А. В.,
, Саушин И. И. Вязкое течение в следе за круговым
цилиндром вблизи стенки при умеренных числах ейнольдса // Теп
лоизика и аэромеханика. 2017. Т. 24, ќ 6. С. 897907.
Охотников Д. И.
ольцман А. Е.
6.
, Okhotnikov D. I. Loal transition to turbulene behind an
obstale for a nominally laminar ow // Lobahevskii Journal of Mathe
matis. 2016. Vol. 37, no. 3. P. 360367.
Mazo A. B.
В сборниках трудов конеренций
17
7.
, Мазо А. Б., Охотников Д. И. Влияние ламинарно
турбулентного перехода на теплообмен в подогреваемом канале с пре
пятствием // Теплообмен и гидродинамика в закрученных потоках:
пятая международная конеренция: тезисы докладов. Санкт-Петер
бург: Свој издательство, 2015 г. С. 221222.
8.
Мазо А. Б., Охотников Д. И. Возникновение турбулентности в канале
с препятствием при взаимодействие спиральных вихрей // Теплооб
мен и гидродинамика в закрученных потоках: пятая международная
конеренция: тезисы докладов. Санкт-Петербург: Свој издатель
ство, 2015 г. С. 219220.
9.
Мазо А. Б., Охотников Д. И. Механизмы турбулизации потока в ка
налах с препятствиями цилиндрической ормы // Модели и методы
аэродинамики: Материалы Шестнадцатой Международной школы
семинара. М.: ЦАИ. Евпатория, 2016 г. С. 100101.
10.
Малюков А. В., Охотников Д. И. Влияние вынужденных колебаний
потока на ламинарно-турбулентный переход в канале за выступом //
Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашинострое
нии: Материалы докладов X школы-семинара молодых ученых и спе
циалистов АН В.Е. Алемасова. Казань, 13-15 сентября 2016 г. Ка
зань: КазНЦ АН, 2016 г. С. 8992.
11.
О. А., А. Б.Калинин Е. И., Малю
Формирование вихревых структур за
выступом в канале при переходе к турбулентности в стационарном
и пульсирующем потоках // XI Всеросийский съезд по ундамен
тальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник
докладов (Казань, 2024 августа 2015 г.). Казань: Издательство Ка
зан. ун-та, 2015. С. 26172619.
Калинин Е. И.
Молочников
ков А. В.
12.
,
В.
М.
,
Душина
Охотников Д. И.
,
,
,
,
, Душина О. А. Формирование вихревых структур за
препятствием в канале на режимах перехода к турбулентности в ста
ционарном и пульсирующем потоках // Тезисы докладов II Всерос
сийской научной конеренции с элементами школы молодых ученых,
11-17 сентября 2017 г., Ялта, Новосибирск: Срочная полиграия,
2017. С. 9698.
Молочников В. М. Калинин Е. И. Мазо А. Б. Малюков А. В. Охот
ников Д. И.
13.
, Мазо А. Б., Душина О. А., А. Б.Калинин Е. И.,
, Охотников Д. И. Эксперимент и численное модели
рование ормирования вихрей при переходе к турбулентности за вы
ступом в канале // Тезисы докладов XXIV Всероссийского семинара
с международным участием ѕСтруйные, отрывные и нестационарные
течениї / под ред. В.М.Фомина, В.И.Запрягаева. Новосибирск, 11-13
ноября 2015 г. Новосибирск: Параллель, 2015. С. 115116.
Молочников В. М.
Малюков А. В.
18
14.
, Мазо А. Б., Малюков А. В., Охотников Д. И.,
Механизм перехода к турбулентности и управление
теплоотдачей в канале за препятствием // Тезисы шестой российской
национальной конеренции по теплообмену. В 3 томах (27-31 октября
2014 г., Москва). Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С. 247
250.
Молочников В. М.
Паерелий А. А.
15.
Молочников В. М., Мазо А. Б., Охотников Д. И., ольцман А. Е. Ме
ханизм ламинарно-турбулентного перехода в следе кругового цилин
дра в канале // Тезисы докладов XXXIII Сибирского теплоизическо
го семинара, 6-8 июня 2017 г., Новосибирск, оссия. Новосибирск:
Срочная полиграия, 2017. С. 70.
16.
Охотников Д. И.
Ламинарно-турбулентный переход в каналах с ци
линдрическими препятствиями // Проблемы тепломассообмена и гид
родинамики в энергомашиностроении: Материалы докладов X школы
семинара молодых ученых и специалистов АН В.Е. Алемасова. Ка
зань, 13-15 сентября 2016 г. Казань: КазНЦ АН, 2016 г. С. 105
107.
17.
Охотников Д. И.
Сравнение механизмов перехода к турбулентности в
каналах с препятствием цилиндрической и полуцилиндрической ор
мы // Материалы XI международной конеренции по неравновесным
процессам в соплах и струях (NPNJ'2016), 25-31 мая 2016 г., Алушта.
М.: Изд-во МАИ, 2016. С. 4346.
18.
Охотников Д. И., Калинин Е. И., Мазо А. Б. Влияние ширины ка
нала с препятствием на режим течения // Материалы X междуна
родной конеренции по неравновесным процессам в соплах и струях
(NPNJ'2014), 25-31 мая 2014 г., Алушта. М.: Изд-во МАИ, 2014. С. 5153.
19.
, Мазо А. Б., Калинин Е. И. Влияние локального
перехода к турбулентности в канале с препятствием на теплообмен //
Труды XXI школы-семинара молодых ученых и специалистов под ру
ководством академика АН А. И. Леонтьева ѕПроблемы газодинами
ки и тепломассообмена в энергетических установкахї (22-26 мая 2017
г., Санкт-Петербург): В 2 томах. Т.1. М.: Издательский дом МЭИ,
2017. С. 232235.
20.
Охотников Д. И.
, Мазо А. Б., Калинин Е. И., Молочников В. М.,
Влияние ламинарно-турбулентного перехода на тепло
обмен в канале // Тезисы шестой российской национальной конерен
ции по теплообмену. В 3 томах (27-31 октября 2014 г., Москва). Т. 1.
М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С. 251253.
Охотников Д. И.
Малюков А. В.
19
Охотников Дмитрий Иванович
ЧИСЛЕННОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИОВАНИЕ
ЛАМИНАНО-ТУБУЛЕНТНОО ПЕЕХОДА
В КАНАЛАХ С ПЕПЯТСТВИЯМИ
Авторе. дис. на соискание ученой степени канд. из.-мат. наук
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
4 794 Кб
Теги
физическая, препятствиями, моделирование, каналам, перехода, турбулентного, ламинарный, численного
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа