|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ФИЦ ПХФ и МХ РАН |
||
Исследование развития возмущений в ламинарных струйных течениях и разработка научных основ новых способов управления такими течениямиНИР
The study of the development of disturbances in laminar jet flows and the development of the scientific foundations of new ways to control such flows.
- Руководитель НИР: Веденеев В.В.
- Ответственные исполнители: Зайко Ю.С., Никитин Н.В., Решмин А.И.
- Подразделение: 103 Лаборатория экспериментальной гидродинамики
- Срок исполнения: 25 мая 2023 г. - 15 декабря 2024 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 20-19-00404-П
- Номер ЦИТИС: 124031500146-1
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
- ПН России: Транспортные и космические системы
- Критическая технология России: Технологии создания высокоскоростных транспортных средств и интеллектуальных систем управления новыми видами транспорта
-
Рубрики ГРНТИ:
- 30.17.19 Теория волн и колебаний жидкости
- 30.17.23 Вязкая жидкость
- 30.17.27 Турбулентность
-
Описание:
Разработка научных основ управления струйными течениями
-
Abstract:
The project aims to theoretically and experimentally study the development of disturbances and the transition to turbulence in laminar flooded jets and to search for new methods for controlling jet currents. In Project 2020, new results were obtained: (1) the use of linear modal stability theory to describe the development of harmonic disturbances in submerged jets was experimentally substantiated; (2) the existence of a non-modal mechanism for the growth of disturbances in jets was experimentally proven for the first time; (3) the existence of jets in which instability is absolute is theoretically justified and experimentally demonstrated, i.e. there are disturbances propagating upstream. The goal of this project is to develop these studies, deepen the understanding of the role of various growth mechanisms of disturbances in jets, and develop ways to control the laminar-turbulent transition in jets through a combination of different growth mechanisms. The project will solve two problems. The first task is to study the nonlinear interaction of modal and non-modal mechanisms of growth of disturbances in the jet. Namely, in the experimental part of the project, stationary disturbances will be introduced into the laminar jet simultaneously, deforming the cross section of the jet due to the non-modal growth mechanism, and harmonic modal disturbances. The growth rate of harmonic disturbances developing against the background of a deforming jet and the distance to the transition zone will be investigated. The parameters of disturbances will be determined for which the combination of two disturbances leads to an acceleration of the transition and to its delay. At the same time, direct numerical modeling (DNS) will be carried out of the nonlinear interaction of modally and non-modally growing disturbances in a circular flooded area until the transition to turbulence. The results will be compared with experimental measurements. The second task is devoted to studying the possibility of enhancing local absolute instability to form a global absolutely unstable mode. Previously, members of the team showed that despite the existence of local absolute instability, it can quickly change to convective instability due to the diffusion of the jet velocity profile downstream. It is known that for the existence of a global growing eigenmode in a flow evolving downstream, it is necessary that the zone of local absolute instability be sufficiently extended. In this regard, the problem of the required length of the zone of local absolute instability will be theoretically (analytically and numerically) solved, taking into account the evolution of the downstream velocity profile. An experimental setup will be developed to form a jet in which absolute instability is most intense, and the development of disturbances in such a jet will be studied. At the same time, the nonlinear development of a pulsed disturbance in such a jet will be studied numerically. The possibility of intensifying mass transfer between an absolutely unstable jet and the surrounding space will be investigated. The listed tasks are new and relevant, their solution as a result of the Project will make a significant contribution to the development of the theory of hydrodynamic stability in terms of its application to submerged jets. A detailed study of the mechanisms of growth of disturbances and the transition to turbulence in flooded jets will make it possible to develop methods for controlling the laminar-turbulent transition in jets (both for the purpose of delaying the transition to turbulence and for turbulization of the flow in the immediate vicinity of the beginning of the jet). Delaying the transition to turbulence is important, in particular, for creating local clean zones, as well as air curtains that delimit zones with different requirements for cleanliness and composition of the environment. On the contrary, the earliest turbulization of the jet will enhance mixing and mass transfer, which is important in a large number of technical applications (combustion chamber nozzles, chemical reactors, etc.).
-
Планируемые результаты:
В результате выполнения проекта: 1. Будут измерены профили средней скорости и пульсаций скорости, спектр пульсаций, измерена интенсивность вовлечения в движение окружающей среды в турбулентном участке струны, вызванным модальным и немодальным механизмами. 2. Будет экспериментально исследованы комбинации вносимых стационарных немодальных и гармонических модальных возмущений и проанализирована возможность ускорения и замедления перехода к турбулентности за счёт стационарной деформации струи. 3. Будет численно рассчитано нелинейное взаимодействие модально и немодально растущих возмущений и проанализирована возможность затягивания ламинарно-турбулентного перехода в круглой затопленной струе. 4. Будет проанализирована возможность интенсификации локальной абсолютной неустойчивости в струе и проведены экспериментальные исследования по развитию возмущений в абсолютно неустойчивой струе. 5. Будет аналитически, методом ВКБ, и численно в линейном приближении решена задача о формировании глобальной собственной моды при конечной длине зоны локальной абсолютной неустойчивости в развивающейся вниз по потоку струе. Будет определена минимально необходимая длина такой зоны. 6. В нелинейной постановке будет решена задача об эволюции локализованного импульсного возмущения в абсолютно неустойчивой струе. Все ожидаемые результаты находятся на мировом уровне. Ранее коллективом проекта впервые удалось экспериментально доказать существование немодального механизма роста в круглой затопленной струе и продемонстрировать механизм перехода к турбулентности, отличный от классического развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Ожидается, что, как и в пристенных течениях, комбинация и нелинейное взаимодействие модально и немодально растущих возмущений может привести как к усилению, так и к ослаблению роста возмущений в струе, что позволит сформулировать алгоритмы управления ламинарно-турбулентным переходом в круглых затопленных струях. Также коллективом впервые теоретически доказано, что плоские струи более предрасположены к абсолютной неустойчивости, чем круглые струи, и продемонстрирована струя, в которой в эксперименте наблюдаются движущиеся вверх по потоку возмущения. Интенсификация абсолютной неустойчивости, её экспериментальное исследование и нелинейные DNS-расчёты развития импульсных локализованных возмущений, в т.ч. на фоне эволюционирующего вниз по потоку профиля скорости, впервые позволят изучить возможность разрушения ламинарного течения во всей струе сразу, начиная от выходного отверстия формирующего диффузора, что повысит интенсивность перемешивания струи с окружающим пространством. Результаты проекта могут использоваться для создания способов управления струйными течениями, которые могут найти приложения во множестве технологий. Затягивание перехода к турбулентности (удлинение ламинарного участка струи) может использоваться для создания локальных ламинарных “чистых зон”, т.е. зон пространства, заполненных специально очищенным воздухом (или в общем случае другим газом). Ламинарность течения исключает попадание в такие зоны посторонних примесей. Ламинарные чистые зоны, не имеющие твёрдых стенок, могут быть востребованы в микроэлектронике, высокоточном производстве, химических технологиях, микробиологии, фармацевтике. Плоские ламинарные струи могут использоваться как воздушные завесы, разграничивающие зоны пространства с разным требованием к чистоте и составу. Также имеются перспективные технологии создания “аэрозольных экранов”, в которых изображение проецируется на специально создаваемую струю аэрозоля (например, компании Displair и HelioDisplay). Основным недостатком таких технологий в настоящий момент является турбулентность струи, значительно искажающая проецируемое изображение. Затягивание перехода к турбулентности принципиально повысит качество изображения в таких устройствах. Наоборот, укорочение ламинарного участка, за счёт внесения возмущений, по структуре близких к оптимальным и за счёт комбинации модально и немодально растущих возмущений, или же за счёт создания абсолютно неустойчивой струи, может найти применение в ряде технологий, где необходимо обеспечить интенсивный массообмен между струёй и окружающей средой: в химических реакторах, топочных устройствах, в форсунках камер сгорания двигателей различных типов, горелках.
-
Научный задел:
При выполнении проекта 2020 было получено два новых результата, требующих дальнейшего изучения. * Впервые было показано экспериментально, что в ламинарной круглой затопленной струе возможно развитие возмущений в соответствии с немодальным (алгебраическим) механизмом роста. Обнаружено, что переход к турбулентности при этом идёт по иному сценарию, нежели классическое развитие вихрей Кельвина-Гельмгольца. * Впервые показано теоретически и подтверждено численно, что в параллельных плоских течениях с однонаправленным струйным профилем скорости возможно возникновение абсолютной неустойчивости. Сформулированы требования к профилю скорости, обеспечивающие смену характера неустойчивости от конвективного к абсолютному. В связи с этим, в проекте 2023 ставятся две новые задачи, развивающие соответствующие направления проекта 2020: * Исследование характера перехода в круглой затопленной струе, определение характеристик турбулентности на начальной стадии её развития при эволюции возмущений, растущих немодально. Изучение возможностей управления переходом к турбулентности в струях путём внесения в поток искусственных стационарных возмущений. * Поиск возможностей создания абсолютно неустойчивых плоских и круглых затопленных струй в экспериментальных условиях.
- Добавил в систему: Веденеев Василий Владимирович
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 25 мая 2023 г.-15 декабря 2023 г. | Исследование развития возмущений в ламинарных струйных течениях и разработка научных основ новых способов управления такими течениями |
| Результаты этапа: Ранее полученный способ инициализации немодального роста возмущений в струйном течении при помощи тонких пластиковых цилиндрических конструкций с заданными азимутальными числами позволил провести сравнение параметров нарастания немодальных возмущений с теоретически оптимальными и показать хорошее качественное согласие эксперимента и линейной теории устойчивости. Тем не менее, вопрос о линейности вносимых возмущений изучен не был. В отчетном периоде было проведено такое исследование – в течение помещались дефлекторы с фиксированным азимутальным числом и варьируемой амплитудой отклонения от окружности в выходном сечении (от 1 до 10%). Визуализация и съемка в поперечной плоскости течения показали, что поперечная компонента скорости постоянна и линейно зависит от амплитуды дефлектора в исследуемом диапазоне, что доказывает масштабируемость и, следовательно, линейность вносимых стационарных возмущений. При этом было обнаружено, что переход к турбулентности происходит при одном и том же расширении струи на разных расстояниях вниз по потоку для разной амплитуды дефлекторов. В продолжении исследования немодального механизма нарастания возмущений были проведены эксперименты по определению взаимного влияния возмущений, растущих в соответствии с немодальным механизмом, и мод Кельвина-Гельмгольца, развивающиеся согласно модальному механизму. Для обработки результатов были разработаны несколько методов определения перехода в струе по видеоряду, полученному в экспериментах по визуализации. Все методы в целом показали сходный результат. Показано, что при одновременном внесении стационарных и гармонических возмущений взаимного эффекта на длину ламинарного участка нет. При малой амплитуде дефлектора (<4%) доминирует модальный механизм, и разрушение ламинарной структуры происходит на расстояниях вниз по потоку, соответствующих экспериментам в отсутствии дефлектора. При амплитудах выше указанной доминирует немодальный механизм – дополнительное внесение гармонических возмущений не влияет на длину ламинарного участка. В предварительных измерениях с помощью термоанемометрической системой получено уменьшение энергии гармонических (как естественных, так и контролируемых) возмущений в возмущенной дефлекторами струе по сравнению со струей без дефлектора. Основная гипотеза, объясняющая расхождение этого результата с измерениями длины ламинарного участка, заключается в том, что из-за двухкомпонентности координатного устройства измерения проводились вдоль одной линии, а не всего поперечного сечения струи. В отчётном периоде проведена модернизация координатного устройства, и появилась возможность 3D термоанемометричеких измерений продольной скорости и её пульсаций. Сравнение кинетической энергии пульсаций, вычисленной по поперечным полям пульсаций продольной скорости на разных расстояниях вниз по потоку, позволит определить влияние деформации струи немодальном растущим возмущением на инкремент нарастания модальных возмущений и сопоставить эти данные с изменением длины ламинарного участка струи. Была разработана геометрия диффузора, затягивающего участок локальной абсолютной неустойчивости струи, что, как ожидается, приведёт к глобальной неустойчивости эволюционирующего струйного течения. Были проведены расчёты эволюции вниз по потоку струй с параметризованными начальными профилями скорости на входе. Для каждого входного профиля проведён расчёт длины участка локальной абсолютной неустойчивости. С помощью реализованного алгоритма этот процесс был автоматизирован, и на выходе была получена зависимость длины участка локальной абсолютной неустойчивости от параметров, задающих начальный профиль скорости. Был выбран профиль скорости с наиболее протяжённым участком локальной абсолютной неустойчивости и методом градиентного спуска был получен канал диффузора, на выходе из которого формируется требуемый профиль скорости. Проведено сравнение результатов численного исследования линейной устойчивости струи в рамках двух подходов, квазипараллельного и пространственного. Изучены как осесимметричные, так и трёхмерные возмущения. Получено хорошее количественное согласие результатов двух подходов, а также согласие с результатами невязкой теории. Проведены численные расчеты с целью объяснения и интерпретации результатов лабораторного эксперимента, в котором обнаружено изменение протяженности зоны перехода к турбулентности в струе под действием периодических во времени осесимметричных возмущений. В расчетах показано, что осесимметричные возмущения даже значительной начальной амплитуды не приводят к переходу к турбулентности. Колебания, вызываемые развитием таких возмущений, сохраняют регулярный, близкий к гармоническому, характер. Наблюдающийся в эксперименте переход к турбулентности может объясняться наличием неконтролируемых трехмерных возмущений, усиливающихся на фоне достаточно интенсивных искусственных возмущений. В описанной картине инициатором перехода служат трехмерные возмущения, а осесимметричные возмущения при достаточно большой амплитуде лишь ускоряют их рост. Построены системы элементарных стационарных возмущений для круглой струи при Re=5700. Найдены оптимальные возмущения, обеспечивающие максимальный рост на заданном расстоянии от входа x. Для x=5D (D – диаметр сопла) наибольший рост в более, чем 30 раз, испытывают возмущения, соответствующие азимутальному номеру n=5. Изучено развитие оптимальных стационарных возмущений на нелинейной стадии. Заметное отклонение (в сторону замедления) от линейного роста начинается при достижении амплитудой возмущения значения около 20% от средней скорости струи. Определены распределения скорости в деформированной струе на разных расстояниях от входного сечения. Построен алгоритм расчёта развития нестационарных возмущений на фоне струи, деформированной стационарными возмущениями. Проведены методические расчёты. Начаты исследования по поиску формы и амплитуды стационарного возмущения, замедляющего рост нестационарных возмущений. | ||
| 2 | 1 марта 2024 г.-15 декабря 2024 г. | Исследование развития возмущений в ламинарных струйных течениях и разработка научных основ новых способов управления такими течениями |
| Результаты этапа: В отчетном году продолжилось изучение взаимного влияния двух линейных механизмов роста возмущений (модального и немодального) в круглой затопленной струе. 1. Проведены измерения термоанемометром пульсаций скорости в поперечных сечениях струи с фильтрацией в частотной полосе 5±1 Гц, соответствующей частоте наиболее быстро растущей собственной моды. После этого вычислялась кинетическая энергия возмущений и её нарастание вниз по потоку. Сравнивались четыре типа возмущений: невозмущенное, возмущенное гармоническими колебаниями кольца, стационарным дефлектором и их комбинацией. Результаты подтвердили ускорение роста кинетической энергии модальных возмущений под влиянием немодального роста. 2. Выполнены измерения инкремента пространственного роста лидирующей моды струи вдоль её оси для струи, деформированной дефлекторами различных амплитуд. Построены зависимости инкремента экспоненциального роста, которые показали монотонное увеличение инкремента с ростом амплитуды дефлектора. 3. Проведена валидация разработанного в 2023 нового визуализационного метода определения длины ламинарного участка. Для этого выполнена серия термоанемометрических экспериментов по определению этой длины. Результаты показали аналогичный характер уменьшения длины ламинарного участка с ростом амплитуды дефлектора, как и визуализационный метод, но со сдвигом вниз на ~D. Эти данные позволяют калибровать визуализационный метод для определения пороговых значений конца ламинарного участка. 4. Проведён анализ спектральных характеристик струи с различными типами внесённых возмущений. Исследована эволюция спектра пульсаций скорости на различных расстояниях вниз по потоку. Наблюдалось широкополосное увеличение частотной зоны роста для течения, модулированного стационарными возмущениями от дефлекторов, в отличии от спектров, при которых доминирует модальный механизм. 5. Для определения эффективности перемешивания среды с окружающей средой были проведены PIV измерения в продольных и поперечных сечениях струи в интервале от 1D до 6D для всех рассматриваемых типов возмущений. Получено значительно более интенсивное взаимодействие струи с окружающей средой при внесении стационарных возмущений дефлектором, чем при возбуждении только собственной моды. 6. Численно определена форма и характер развития стационарных оптимальных возмущений струи, соответствующих различным значениям азимутального волнового числа от n=0 до n=9. На начальном этапе наиболее быстро растут возмущения с наибольшими номерами n>0 в исследованном диапазоне, однако на больших расстояниях они уступают возмущениям с меньшими номерами. Немодальное усиление амплитуды в несколько раз превышает модальный рост возмущений в рассматриваемом течении под действием неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Рост энергии оптимального возмущения происходит благодаря действию лифт-ап (lift-up) эффекта. 7. Численно изучено нелинейное развитие оптимальных возмущений при различных значениях начальной амплитуды. Показано, что нелинейные эффекты приводят к замедлению скорости роста при их развитии вниз по потоку. Течения, деформированные стационарными возмущениями, исследованы на устойчивость к малым нестационарным возмущениям. Обнаружено, что с ростом степени деформации, максимальная скорость роста возмущений заметно возрастает благодаря появлению специфической коротковолновой моды неустойчивости. Внесение в поток различных стационарных возмущений во всех исследованных случаях приводило к ускорению ламинарно-турбулентного перехода. В части изучения абсолютной неустойчивости плоских затопленных струй получены следующие результаты. Разработан автоматизированный метод расчёта длины зоны локальной абсолютной неустойчивости в течениях, где вязкое расплывание профиля скорости вниз по потоку приводит к смене характера неустойчивости с абсолютного на конвективный. После расчёта невозмущённого стационарного течения, происходит автоматизированный анализ характера неустойчивости посредством применения критерия Бриггса. Построена карта длин зоны локальной абсолютной неустойчивости для семейства профилей скорости струи, параметризованного двумя параметрами. Аналитически получена связь характеристик локальной абсолютной неустойчивости, полученных в плоскопараллельном приближении, и глобальной неустойчивости развивающегося по x течения, найдено явное выражение для глобального спектра собственных мод. На примере конкретного профиля струи, имеющего достаточно длину зону локальной абсолютной неустойчивости, показано, что при Re=9000 такая струя является глобально неустойчивой. С использованием ранее разработанного оптимизационного алгоритма найдена и изготовлена форма канала диффузора струйной установки, которая создаёт на выходе заданный профиль скорости, являющийся глобальной неустойчивым. Проведены эксперименты по измерению термоанемометром профилей скорости после установки изготовленных вкладышей, которые показали хорошее согласие с теоретическими целевыми профилями скорости. Проведена визуализация плоских струй, создаваемых соответствующими входными профилями скорости. Продемонстрировано течение, в котором вихри Кельвина-Гельмгольца на границе струи генерируются непосредственно у начального сечения струи, что можно интерпретировать как демонстрацию глобальной собственной моды струи. Проведены измерения термоанемометром спектров пульсаций скорости в полученных струях. Доминирующая частота близка к частоте доминирующей глобальной собственной моды и к частоте абсолютной неустойчивости входного профиля струи, что также является признаком согласования теории и эксперимента. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".