Библиографическое описание:Многомасштабные эффекты в одно- и двухфазных сдвиговых турбулентных течениях : отчет о НИР / Д. М. Маркович. - , 2018. - (Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами ; 17-19-00083). - Б. ц. - Текст : непосредственный.
Аннотация:В рамках работ по проекту проведена серия расчетов методом прямого численного моделирования для различных конфигураций осесимметричного струйного течения. Для случая нестационарной задачи импульсного истечения струи воздуха в среду, затопленную воздухом, гелием или углекислым газом показано развитие когерентных вихревых структур во времени. Также для этого режима течения было обнаружено существенное влияние переменной плотности на локальное число Рейнольдса, что привело к ламинаризации режима течения конфигурации «воздух-гелий». Стоит отметить, что струя воздуха распространяется в гелиевой среде несколько быстрее, чем в воздухе или углекислом газе, что также связано с существенным различием плотностей воздуха и гелия (примерно в 7 раз). На основе полученных данных был произведён анализ процессов турбулентного перемешивания, а также динамических процессов в слое смешения струи, для всех трех конфигураций. Проведена идентификация когерентных вихревых структур с помощью применения различных методов обработки: изоповерхности Q-критерия и метода Proper orthogonal decomposition (POD). Были выявлены наиболее энергонесущие структуры в потоке. Показано, что на процессы перемешивания существенно влияет изменение локального числа Рейнольдса, обусловленное изменениями плотности в слое смешения.?В щелевом следе при обтекании цилиндра были идентифицированы и детально изучены энергонесущие когерентные вихревые структуры при различных числах Рейнольдса. Показана динамика неустойчивости подковообразных вихрей перед цилиндром, которая существенно влияет на теплоперенос в этой области и в области слоя смешения. В зоне рециркуляции для турбулентного щелевого потока изучено квазипериодическое движение, связанное с последовательным срывом вихрей с противоположных кромок цилиндра и напоминающее вихревую дорожку Кармана. Также было детально изучено низкочастотное квазипериодическое движение в рециркуляционной зоне за цилиндром. Определены характерные частоты такого движения, показано существенное влияние вихревых структур на теплоперенос, изучены физические процессы, связанные с этим явлением.?В дальней области следа цилиндра идентифицированы и изучены продольные вихревые когерентные структуры. Их наличие вызвано взаимодействием нескольких факторов: поперечных осцилляций потока, влиянием ограничивающих стенок канала и эжекцией окружающей жидкости. Эти продольные вихревые структуры были ранее обнаружены в конфигурации щелевой струи в результате совместных численных и экспериментальных исследований. Показано, что эти вихревые структуры присутствуют и в пристеночных слоях щелевого потока, оценено их влияние на тепловой поток.?Проведены работы по нахождению универсальных законов подобия концентрации и статистических моментов скорости частиц для произвольных чисел Стокса. Рассматривался случай как упругого, так и неупругого отскока частиц от стенок плоского канала без осаждения частиц на стенку. Был рассмотрен случай высокоинерционных частиц с числами Стокса 100 и более, для которых характерная длина пробега заметно превышает толщину вязкого подслоя, который не оказывает влияния на динамику частиц. В результате динамика таких частиц определяется взаимодействием частиц с турбулентным движением среды в логарифмическом слое. Для моделирования динамики частиц была использована разработанная ранее в рамках проекта тензорно-инвариантная нормализованная ланжевеновская модель. Проведённые расчёты позволили получить распределения концентрации и статистических моментов скорости частиц в широком диапазоне расстояний и для различных значений коэффициента восстановления импульса частицы после столкновения со стенкой. Было также проведено сравнение с расчётами на основе квазиравновесной модели замыкания уравнений переноса напряжений Рейнольдса частиц.?Результаты моделирования динамики инерционных частиц в логарифмическом слое показали существенную неравновесность скорости частиц в области расстояний, выражающуюся в наличии «тяжёлых хвостов» ФПВ скорости частицы, вследствие чего результаты стохастического лагранжева моделирования заметно отличаются от результатов, полученных с помощью квазиравновесной модели переноса напряжений Рейнольдса частиц. Профили концентрации и статистических моментов скорости частиц однозначно определяются автомодельной координатой и коэффициентом восстановления импульса, что позволяет говорить об универсальности полученных распределений. Было обнаружено явление неупругого коллапса траекторий инерционных частиц при значении коэффициента восстановления ниже критического 0.163, предсказанное в работе Belan et al. (2016). При значениях коэффициента восстановления ниже критического значения перехода к неупругому коллапсу, ФПВ скорости частиц приобретает степенные "тяжелые хвосты", свидетельствующие об экстремальной перемежаемости скорости частиц. Концентрация частиц на стенке растёт при уменьшении коэффициента восстановления и приближении его к критическому значению и расходится по степенному закону при значениях коэффициента восстановления ниже критического в режиме неупругого коллапса траекторий частиц. Полученные закономерности для концентрации частиц и интенсивности пульсаций их скорости были аппроксимированы аналитическими выражениями, удобными для использования в инженерной практике.
