№ 1 (2024)
Статьи
Развитие полного лагранжева подхода для моделирования течений разреженных дисперсных сред (обзор)
Аннотация
Континуальные модели сред без собственного давления широко используются в различных разделах физики и механики, в том числе при исследовании многофазных течений для описания разреженной диспергированной фазы. В средах без давления возможно пересечение траекторий частиц среды, формирование “складок” и “сборок” фазового объема, а также появление каустик (огибающих траекторий частиц), вблизи которых плотность среды резко возрастает. В последние десятилетия явления кластеризации и аэродинамической фокусировки инерционной примеси в потоках газа и жидкости привлекают все большее внимание исследователей. Это обусловлено важностью учета неоднородностей концентрации примеси при описании распространения аэрозольных загрязнений в окружающей среде, механизмов роста капель в дождевых облаках, рассеивания излучения дисперсными включениями, инициирования детонации в двухфазных смесях, а также при решении задач двухфазной аэродинамики, интерпретации измерений, полученных методами LDV и PIV, и во многих других приложениях. Перечисленные проблемы стимулируют значительный рост числа публикаций, посвященных процессам аккумуляции и кластеризации инерционных частиц в потоках газа и жидкости. В рамках классических двухжидкостных моделей и стандартных эйлеровых подходов, предполагающих однозначность континуальных параметров сред, оказывается невозможным описать зоны многозначности полей скорости и сингулярности плотности среды в течениях с пересекающимися траекториями частиц. Одной из альтернатив является полный лагранжев подход, предложенный автором ранее. В последние годы этот подход получил дальнейшее развитие в комбинации с осредненными эйлеровыми и лагранжевыми (метод вихревых доменов) методами описания динамики несущей фазы. Такие комбинированные подходы позволили исследовать структуру локальных зон накопления инерционных частиц в вихревых, нестационарных и турбулентных потоках. Описаны базовые идеи полного лагранжева подхода, даны примеры полученных наиболее существенных результатов, иллюстрирующие уникальные возможности метода, и дан обзор основных направлений его развития применительно к нестационарным, вихревым и турбулентным течениям сред типа газ–частицы. Часть обсуждаемых идей и представленных результатов имеет более общее значение, поскольку применима и к другим моделям сред без собственного давления.
Аномальная интенсификация вихревого теплообмена при отрывном обтекании воздухом наклонной канавки на нагретом изотермическом участке пластины
Аннотация
Экспериментально и численно выявлена аномальная интенсификация теплообмена при турбулентном отрывном обтекании воздухом удлиненной канавки умеренной глубины на пластине, наклонённой под углом ٤٥° к набегающему потоку. Область исследования включала прямоугольный участок, нагретый до ١٠٠ °С насыщенным водяным паром. Число Рейнольдса менялось от ١٠3 до ٣×104. Методом градиентной теплометрии установлено двукратное — в сравнении с плоской пластиной – возрастание коэффициента теплоотдачи на дне канавки при числе Рейнольдса Re = 3×104. Относительное число Нуссельта для различных участков канавки определялось как в ходе физического эксперимента, так и расчетом на основе RANS-подхода с применением многоблочных вычислительных технологий и SST-модели в пакете VP٢/٣. Результаты удовлетворительно совпали в турбулентном режиме течения при Re = (5, 10 и 30)×103.
Диффузионная устойчивость кавитационного пузырька в жидком микровключении под действием внешней вынуждающей силы
Аннотация
Рассматривается задача диффузионной устойчивости одиночного кавитационного пузырька в сферической ячейке жидкости (жидком микровключении), окруженной бесконечным упругим твердым телом. В качестве внешней вынуждающей силы используется периодическое во времени давление в твердом теле вдали от ячейки жидкости, которое инициирует колебания пузырька, сопровождающиеся процессом диффузии газа в системе пузырь–в–ячейке. Использовано инженерное приближение, согласно которому увеличение/уменьшение пузырька рассматривается в среднем в предположении, что за период внешнего воздействия масса газа в пузырьке заметно не меняется. Разработанная теория предсказывает существование устойчиво осциллирующих пузырьков в ограниченной жидкости под действием внешней вынуждающей силы. Выявлены три возможных режима диффузии: 1) полное растворение пузырька, 2) частичное растворение пузырька и 3) частичный рост пузырька; последние два режима соответствуют диффузионной устойчивости в системе пузырь–в–ячейке. Проведено параметрическое исследование влияния концентрации газа, растворенного в жидкости, на результирующий устойчивый размер пузырька. Полученные результаты сравниваются с результатами для случая устойчивых колебаний пузырька в звуковом поле давления в бесконечной жидкости. Теоретические выводы могут быть использованы для совершенствования современных приложений ультразвуковых технологий.
Диагностика ионизационных процессов в углеводородном пламени с использованием вольтамперных характеристик
Аннотация
Рассматривается возможность оценки ионизационных параметров высокотемпературных газовых смесей, образующихся в результате процессов горения, на основе вольтамперных характеристик, измеренных с помощью электродов, создающих в исследуемых средах внешнее электрическое поле.
Анализ структуры течения в сверхзвуковом канале с каверной
Аннотация
Представлены результаты численного исследования сверхзвукового канала с каверной. Рассчитанные спектры колебаний анализируются с использованием быстрого преобразования Фурье. В полученном периодическом автоколебательном режиме можно выделить два типа колебательных мод. Первый тип мод соответствует акустическим колебаниям, вызванных прохождением звуковых волн вдоль каверны и рассчитанных с помощью модифицированной формулы Росситера. Второй тип мод соответствует частотам расходных колебаний, которые вызваны массообменном между каверной и внешним потоком. Показано изменение структуры течения при подаче топлива перед каверной. Активное горение происходит в слое смешения топлива и кислорода из воздуха. Картина течения демонстрирует возникновение неустойчивости Кельвина–Гельмгольца на границе раздела основного потока и прореагировавшего газа. Показано, что увеличение давления подаваемого топлива приводит к уменьшению частоты колебаний и увеличению характерного размера колебаний.
Колебания жидкости в круговом цилиндре с возвышением на дне
Аннотация
В приближении длинных волн сформулирована и численно при использовании алгоритма ускоренной сходимости решена задача о стоячих волнах в круговом цилиндрическом сосуде с возвышением на дне. В результате проведенных расчетов с высокой точностью определена собственная частота основной волновой моды. Для сравнения теоретических результатов представлены новые экспериментальные данные по возбуждению стоячих поверхностных гравитационных волн в круговом цилиндрическом сосуде с параболическим и коническим возвышениями на дне. Показано совпадение рассчитанных и измеренных значений собственной частоты основной волновой моды в сосудах с профилированным дном.
Движение нагрузки по ледяному покрову при наличии слоя жидкости со сдвиговым течением
Аннотация
Исследовано поведение ледяного покрова на поверхности идеальной несжимаемой жидкости конечной глубины под действием движущейся прямолинейно с постоянной скоростью области давления при наличии в верхнем слое потока со сдвигом скорости. Предполагается, что в системе координат, движущейся вместе с нагрузкой, прогиб льда установившийся. Использован метод преобразования Фурье в рамках линейной теории волн. Исследованы критические скорости, прогиб ледяного покрова и волновые силы в зависимости от градиента скорости течения, толщины сдвигового слоя, направления движения и коэффициента сжатия.
Численное решение краевой задачи задачи для инерционно-гравитационных внутренних волн
Аннотация
Представлен численный расчет начально-краевой задачи для уравнения свободных инерционно-гравитационных внутренних волн в неограниченном бассейне постоянной глубины в приближении Буссинеска и наличии двумерного вертикально-неоднородного течения. Краевая задача для амплитуды вертикальной скорости содержит комплексные коэффициенты и решается как численным методом, так и по теории возмущений. На примере расчета декремента затухания внутренних волн и волновых потоков импульса показано, что точный численный расчет дает существенно лучшие оценки в сравнении с методом возмущений. В частности, при минимальном расхождении в дисперсионных кривых для обоих методов расчета мнимая часть частоты волны, интерпретируемая как декремент затухания, может различаться на два-три порядка. Вертикальные волновые потоки импульса сравнимы с турбулентными и, в том числе, могут превышать их, при этом результаты, полученные численным методом, почти на порядок меньше вычисленных методом теории возмущений.
Конические тела с волнообразным поперечным контуром, имеющие минимальное волновое сопротивление
Аннотация
Рассмотрена задача построения поперечного контура конического тела, имеющего минимальное волновое сопротивление в диапазоне сверхзвуковых скоростей, при условии сохранения длины и объема. За исходное тело принят конус, сделано предположение о локальности связи между изменениями геометрических параметров и давления на поверхности, и применена квадратичная аппроксимация. Найденное решение сопоставлено с результатами, полученными в рамках модели Ньютона, и предложено объединение этих решений на основе допущения о степенной зависимости между радиусом и производной радиуса по угловой координате. При этом выделяется класс контуров, у которых половинка цикла состоит из элемента с монотонным изменением радиуса и дуги окружности, и описывается заданием одного геометрического параметра — показателя степени. В рамках модели невязкого совершенного газа проведена прямая численная оптимизация формы поперечного контура и показана возможность уменьшения волнового сопротивления по сравнению со звездообразными телами, имеющими плоские грани.
Моделирование нестационарных аэродинамических характеристик профиля NACA 0015 по данным численного расчета обтекания
Аннотация
Исследуется возможность применения результатов численного моделирования для разработки приближенной феноменологической математической модели аэродинамики, пригодной для использования в задачах динамики, на примере нестационарного обтекания профиля NACA 0015 при колебаниях по углу атаки с различными частотами, амплитудами и средними углами атаки. Для этого решаются уравнения Рейнольдса в стационарной и нестационарной постановках с моделью турбулентности k–ω-SST. Проводится валидация результатов расчета путем сравнения с данными эксперимента. По данным расчета идентифицируется модель нормальной силы и продольного момента, сформулированная в рамках подхода с введением внутренней динамической переменной. Результаты моделирования сравниваются с расчетными и экспериментальными данными. Приводится сопоставление с традиционным подходом моделирования с помощью линейной нестационарной модели, использующей динамические производные.
Диффузионно-дрейфовая модель поверхностного тлеющего разряда в сверхзвуковом потоке газа
Аннотация
Двухмерная электрогазодинамическая задача об аномальном тлеющем разряде на поверхности острой пластины, обтекаемой сверхзвуковым потоком совершенного газа, решается с использованием системы уравнений Навье–Стокса для описания термогазодинамических процессов в пограничном слое и двухтемпературной двухжидкостной диффузионно-дрейфовой модели газоразрядной плазмы для определения электродинамической структуры разряда. Учитываются приэлектродные области пространственного заряда и внешняя электрическая цепь, состоящая из источника питания и омического сопротивления. Исследовано влияние поперечного к газовому потоку магнитного поля с индукцией до 0.03 Тл на структуру пограничного слоя и тлеющего разряда. Выполнено численное исследование электрогазодинамической структуры аномальных приповерхностных разрядов в широком диапазоне скоростей газового потока, М = 5–10, давлений в набегающем потоке, р = 0.6–5 Торр, напряжений на электродах и токов через разряды. Исследована электродинамическая структура газо-плазменного потока вблизи электродов и воздействие тлеющего разряда на распределение давления и температуры вдоль поверхности пластины.