Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа

Анализируются результаты визуализации процессов переноса вещества свободно падающих окрашенных капель, смешивающихся с прозрачной принимающей жидкостью. Параметризация проводится на основе системы фундаментальных уравнений механики жидкостей, включающей уравнения состояния для плотности и потенциала Гиббса. Обсуждается вклад различных механизмов передачи энергии: макроскопических (с течениями, волнами, вихрями) и микроскопических (диссипативных и конверсионных). Влияние радиационного переноса не рассматривается. Описывается техника современного эксперимента, позволяющая одновременно с высокоразрешающей видеорегистрацией цветных картин течения записывать сопутствующие акустические сигналы. Анализируется структура, динамика и энергетика течений при различных значениях отношений плотностей сливающихся жидкостей, кинетической и потенциальной поверхностной энергии (ППЭ) капли. Определены условия установления выделенных режимов: интрузивного втекания капли, импактного распада на волокна и промежуточного режима зависания и отскока. При малой контактной скорости, в интрузивном режиме, плавно втекающая в толщу жидкости капля образует связный объем. В импактном режиме в пятне контакта образуются тонкие струйки, содержащие вещество обеих сред. Струйки пронзают дно и стенки каверны, растекаются по поверхности жидкости и вылетают в воздух. Волокнистые следы струек образуют линейчатые и ретикулярные структуры на поверхности и в толще жидкости. В промежуточном режиме капля может зависнуть на поверхности жидкости, соприкоснуться, частично слиться и отскочить с потерей вещества. Прослежена эволюция газовых полостей и пузырьков, излучающие акустические пакеты. Отмечается необходимость учета всех механизмов передачи полной энергии при описании гидродинамики и акустики капельных течений.

При отклонении на 45∘ входного участка продольно ориентированной канавки на нагретой стенке плоскопараллельного канала с ростом относительной длины участка ξ, начиная с 0.15, отмечается самоорганизация смерчеобразного вихря, который интенсифицируется за счет формирования экстраординарного поперечного перепада давления и возникновения полюса отрицательного давления в ядре смерча. Смерчевая генерация приводит к развитию аномальной интенсификации отрывного течения и теплообмена (АИОТТ) во входной наклонной части канавки. Известно, что АИОТТ в наклонных прямолинейных канавках характеризуется ослаблением вихревых структур и угнетением теплообмена в концевой части канавки. Установлено, что ориентация концевого участка канавки по потоку в канале при оптимальной относительной длине ξ приводит к проникновению интенсивного закрученного потока в концевую зону канавки типа бумеранг и интенсифицирует теплообмен в ней. Определена оптимальная длина входного участка ξ = 0.35, при которой достигается 29% рост максимальной теплоотдачи от внутренней поверхности канавки по сравнению с плоской стенкой канала. При этом теплосъем внутри канавки типа бумеранг оказывается в 1.2 раза выше, чем для прямолинейной канавки под углом наклона 45∘. Обнаружена критическая длина входного участка (ξ = 0.7), начиная с которой закрученный поток выходит из канавки, не доходя до ее конца. Она характеризуется минимумом относительных гидравлических потерь для участка, ограниченного контуром пятна канавки.

Изучено влияние массообмена (из-за вдува или отсоса жидкости) с поверхностью, обтекаемой дисперсным потоком, на процессы диффузии и осаждения броуновских частиц в пограничном слое. Приведеныуравнения движенияи диффузиидисперснойсмеси вприближении пограничного слоя с учетом зависимости эффективной вязкости суспензии от объемного содержания частиц. Сформулирована краевая задача в автомодельных переменных с учетом скорости отсоса (вдува) жидкости на проницаемой поверхности. Проведен анализ уравнения диффузии при малых и больших числах Шмидта и найдены аппроксимации его решений в этих предельных случаях. В частности, показано, что в пределе при неограниченном росте числа Шмидта производная по независимой автомодельной переменной от концентрации частиц в пограничном слое стремится к дельтафункции Дирака. На примере пограничного слоя на пластине обсуждаются результаты численного решения поставленной краевой задачи при разных значениях определяющих параметров. Обнаружено, что при наличии вдува существует некоторое характерное значение числа Шмидта (зависящее от интенсивности вдува), с превышением которого в пограничном слое возникает область, свободная от частиц. Изучено влияние интенсивности вдува на размеры этой области. Проанализированы зависимости диффузионного потока частиц к поверхности пластины от числа Шмидта в случаях наличия и отсутствия вдува (отсоса).

Исследованы возможности метода температурных корреляций для получения средней скорости турбулентного течения жидкого металла, использующего сигналы с датчиков температуры, расположенных в ряд по направлению движения крупномасштабной циркуляции. Этот косвенный метод, в отличие от других более традиционных методов, может использоваться для измерений в расплавленных металлах, являющихся агрессивной и непрозрачной средой. Метод основан на гипотезе Тейлора о вмороженности поля температурных возмущений в поле скорости при некотором уровне турбулентности потока. Фиксируя прохождение таких возмущений через датчики температуры, можно вычислить скорость потока. В реальных установках, как правило, течение неоднородно, и развитая турбулентность возникает не во всем объеме полости. Поэтому, хотя метод и является абсолютным и не нуждается в тарировке, его нужно проверять на применимость в каждом конкретном случае. В данной работе метод применяется для задачи о турбулентной конвекции жидкого натрия (число Прандтля Pr = 0.0083) в цилиндре, длина которого в 5 раз больше диаметра, нагреваемого с одного торца, и охлаждаемого с другого. Рассмотрены режимы течения при наклоне цилиндра от вертикали на угол β, 18∘ ⩽ β ⩽ 90∘. Число Рэлея, определенное через диаметр, составляло 5·106. Проведен анализ данных экспериментального исследования и численного трехмерного расчета. В последнем случае достоверно известна скорость течения, которую можно напрямую сравнить с оценками, полученными с помощью кросскорреляционного анализа. Показано, что метод температурных корреляций не всегда позволяет достоверно оценить средние скорости крупномасштабных регулярных потоков натрия, т.е. имеет свои ограничения. Метод хорошо работает в условиях умеренных турбулентных пульсаций температуры и скорости. Наибольшую ошибку метод дает вблизи теплообменников по ходу течения – на этом примере предложено наглядное объяснение причины такой ошибки. Получена нелинейная зависимость амплитуды скорости крупномасштабной циркуляции от угла наклона цилиндра с максимумом вблизи 45∘. Положение максимума этой зависимости отличается от такового в цилиндре с аспектным отношением 20 (60∘–70∘).

С использованием трехпараметрической дифференциальной RANS-модели турбулентности проведено численное моделирование турбулентного пограничного слоя в сверхзвуковом потоке с положительным градиентом давления, который был реализован за счет уменьшения числа Маха по длине пластины. Моделирование проведено для ряда значений входного числа Маха от 1.5 до 3.0 и температурного фактора, равного и отличного от 1. Результаты расчетов интегральных и локальных характеристик течения свидетельствуют о существенном влиянии положительного градиента давления на характеристики течения и теплообмена.

Проведено численное моделирование течений невязкой химически активной водородновоздушной смеси с пересжатой детонационной волной в квазидвумерной и двумерной постановках. Моделирование осуществлялось интегрированием уравнений Эйлера, дополненных уравнениями физико-химической кинетики горения водорода в воздухе с 18 химическими реакциями в 9-тикомпонентной смеси. В квазидвумерной постановке получены стационарные течения с пересжатой детонационной волной для различных значений коэффициента избытка воздуха. В двумерной постановке получено решение с пересжатой детонационной волной и исследовано влияние неоднородности смеси на течение с образованием детонационной волны и ее ячеистой структуры.