Устойчивость гидродинамических течений и турбулентностьНИР

Stability of fluid flows and turbulence

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: 1. Экспериментально исследованы возможности управления турбулентностью в сферическом течении Куэтта. Показано, что с увеличением амплитуды модуляции скорости вращения внешней сферы возможно подавление турбулентности с переходом к ламинарному режиму течения. Установлено, что разрушение турбулентности при возрастании амплитуды модуляции и восстановление турбулентности при снижении амплитуды сопровождается гистерезисом. Определена величина частоты, при которой турбулентность наиболее восприимчива к возмущениям. Результаты опубликованы в Письмах в ЖТФ. Исполнители: Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э. 2. Численно исследованы свойства турбулентности при наличии синхронизации между скоростью сферы и течением. Подтверждена показанная ранее в эксперименте возможность формирования в ограниченных областях изотермических течений вязкой несжимаемой жидкости спектра турбулентности с постоянным наклоном -11/5 на инерционном интервале. Установлено, что с увеличением амплитуды модуляции занимаемая двумерной турбулентностью область течения может сокращаться. При малых величинах амплитуды модуляции показана возможность уменьшения уровня турбулентных пульсаций скорости по сравнению с той же величиной в отсутствие модуляции, что соответствует имеющимся экспериментальным данным. Результаты опубликованы в ЖТФ. Исполнители: Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э. 3. Впервые экспериментально исследовано развитие контролируемых возмущений, в круглой ламинарной струе. Показано, что поведение возмущений соответствует линейной теории устойчивости: наибольшее сокращение длины ламинарного участка соответствует частотам наиболее быстро растущих возмущений, а длины волн, измеренные экспериментально, согласуются с рассчитанными теоретически. Результаты опубликованы в сборнике трудов XII Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, том 2. Исполнители: Веденеев В.В., Зайко Ю.С., Гареев Л.Р., Решмин А.И., Тепловодский С.Х., Трифонов В.В., Агафонов С.Ф. 4. Проведено экспериментальное и расчетное исследование воздушной затопленной струи сечением 230х100 мм со средней скоростью более 1 м/с, интенсивностью турбулентности ~ 1 % и Re > 10000, создаваемой с помощью разработанной компактной экспериментальной установки. Динамический расчет методом контрольных объемов в пакете ANSYS CFX показал, что ламинарный характер течения сохраняется на расстоянии ~ 2,5 высот выходного отверстия. Измерения параметров потока на различных расстояниях от начала струи и визуализация течения также показали существование ламинарного начального участка струи на этой длине при числах Рейнольдса примерно 10000. Результаты опубликованы в сборнике тезисов докладов Научной конференции Ломоносовские чтения 2019 г. Исполнители: Бондарев В.О., Решмин А.И., Тепловодский С.Х., Трифонов В.В., Агафонов С.Ф. 5. Проведено численное моделирование и сравнение с экспериментальными данными течений в круглых безотрывных диффузорах. Получены зависимости критического числа Рейнольдса от угла раскрытия для диффузоров с разной степенью расширения. Результаты опубликованы в сборнике 17TH EUROPEAN TURBULENCE CONFERENCE, 3-6 SEPTEMBER 2019, TORINO, ITALY, Турин, тезисы. Исполнители: Решмин А.И., Тепловодский С.Х., Трифонов В.В. 6. С использованием дифференциальной модели турбулентности проведено численное исследование возможности реламинаризации течения в трубе для вариантов входных устройств с различными профилями скорости. Наиболее эффективным оказался экспериментально исследованный вариант с организацией двухзонного течения с замедленным потоком в центральной области трубы и ускоренным в пристеночной области. В этом варианте получено число Рейнольдса реламинаризации Re* = 16000. Показано, что дальнейшее повышение числа Re* может быть получены при уменьшении интенсивности и масштаба турбулентности на входе. Результаты опубликованы в журналах Физико-химическая кинетика в газовой динамике и МЖГ. Исполнители: Решмин А.И., Трифонов В.В. (от лаб. 108 Лущик В.Г., Макарова М.С.) 7. Определен механизм образования и поддержания вытянутых вдоль потока областей концентрированной продольной завихренности (продольных вихрей) в пристенных турбулентных течениях. Само наличие продольных вихрей так деформирует поле пульсаций, что возникает фазовая синхронизация пульсаций продольных компонент скорости и завихренности, поддерживающая продольные вихри. Выявленная обратная связь между турбулентными пульсациями и продольными вихрями замыкает цикл самоподдержания турбулентности: продольные вихри вызывают образование полосчатые структур, на их фоне развиваются пульсации, которые, в свою очередь, поддерживают продольные вихри. Исполнители: Н.В. Попеленская, Д.Е. Пивоваров, В.О. Пиманов, Н.В. Никитин. 8. Проведены работы по оценке эффективности алгоритмов решения систем линейных алгебраических уравнений на вычислительных системах Ломоносов и Ломоносов-2. Для данных вычислительных систем показано, что использование математических алгоритмов, основанных на сокрытии времени исполнения глобальных коммуникаций, в практических расчетах не целесообразно. Исполнители: Б.И. Краснопольский, А.В. Медведев. 9. Проведены экспериментальные исследования парогазовой кавитации при скольжении цилиндра по поверхности в гидрофобной жидкости. Показана возможность образования трехфазных кавитационных пузырьков с микрокаплями воды на границе раздела газ – гидрофобная жидкость. Обнаружено наличие собственного электрического поля у таких образований. Показано, что трехфазные кавитационные пузырьки под действием своих полей могут отталкиваться или объединяться с возникновением электролюминесценции. Исполнитель: А.А. Монахов. 10. Теоретически изучена устойчивость свободной поверхности электролита под действием высокочастотного (10-200 кГц) электрического поля, направленного по нормали к невозмущенной поверхности. Обнаружена неустойчивость типа Тонкса-Френкеля как для вязкого электролита, так и для высокочастотного электрического поля. Показано, что с ростом частоты внешнего электрического поля электролит перестает колебаться и в нем формируются монотонные течения. Исполнитель: Е.А. Демехин.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: 1. Экспериментально исследованы возможности управления положением предела устойчивости в сферическом течении Куэтта. Скорость вращения внутренней сферы периодически изменяется относительно ненулевого среднего значения, внешняя сфера неподвижна. Такая же, как и при стационарном вращении,неустойчивость в виде бегущих азимутальных волн вызывается повышением средней скорости вращения. Проведены измерения скорости течения лазерным доплеровским анемометром. Показано, что при приближении частоты модуляции к собственной частоте линейной моды в зависимости от величины амплитуды возможны как дестабилизация течения, так и его стабилизация. Исполнители: Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э. 2. Изучена возможность образования пристенных продольных вихрей в турбулентных потоках и вторичных течений Прандтля 2-ого рода в угловых областях труб прямоугольного сечения за счёт механизма пульсационного сжатия/растяжения вихревых трубок. Для этого были проведены DNS расчеты соответствующих течений в рамках уравнений Навье-Стокса из которых искусственно были удалены члены, ответственные за указанный механизм. Полученные результаты свидетельствуют в пользу того, что этот механизм не является основным. Исполнители: Н.В. Никитин, Н.В. Попеленская. 3. Разработан интерфейс сопряжения библиотеки численных методов решения систем линейных алгебраических уравнений со многими правыми частями для языка программирования Fortran. Данный интерфейс позволяет расширить возможности использования указанной библиотеки в расчетах, связанных с моделированием турбулентных течений. Исполнитель: Б.И. Краснопольский. 4. Проведены экспериментальные исследования парогазовой кавитации при скольжении цилиндра по поверхности в гидрофобной жидкости. Показана возможность образования трехфазных кавитационных пузырьков с микрокаплями воды на границе раздела газ – гидрофобная жидкость. Установлено наличие собственного электрического поля у таких образований и реакции положения микрокапель воды на изменение внешнего электрического поля. Исполнитель: А.А. Монахов. 5. Изучена возможность использования ионоселективных поверхностей для решения проблем микрофлюидики, что позволило по-новому взглянуть на проблемы транспорта жидкостей в микроканалах. Большой объёмный заряд, который образуется в результате концентрационной поляризации около ионоселективный поверхности, приводит к увеличению электроосмотической скорости в несколько раз. Однако вместе с тем такие течения оказываются менее устойчивыми, по сравнению с электроосмосом около диэлектрической поверхности. Основным механизмом неустойчивости является электрокинетический, который в настоящее время активно исследуется. Результаты исследования ожидаемо показывали, что движение в жидкости в мембране в большей степени приводит к стабилизации течения, однако увеличение критического значения разности электрических потенциалов происходит немонотонно: с увеличением числа Дарси сначала происходит небольшая дестабилизация, и только для достаточно больших чисел Дарси наблюдается значительная стабилизация. Обнаружены новые режимы электрофореза сильнозаряженных диэлектрических и ионоселективных микрочастиц, необходимые для разработки новых и усовершенствования имеющихся способов управления микрокрочастицами и биологическими макромалекулами для нужд медицинской диагностики. Исполнитель: Е.А. Демёхин. 6. Экспериментально исследовано развитие возмущений заданной амплитуды и частоты в ламинарной струе. Показано, что наибольшее сокращение длины ламинарного участка соответствует частотам наиболее быстро растущих возмущений, а длины волн, измеренные экспериментально, согласуются с рассчитанными теоретически. Разработан опытный образец установки для создания прямоугольной затопленной струи сечением 230х100 мм со средней скоростью более 1 м/с, интенсивностью турбулентности ~ 0.8 % при Re ~ 10000. Устройство позволяет формировать различные профили скорости с разным положением точки перегиба, влияющим на развитие неустойчивости. Устройство может быть использовано для организации газодинамической защиты объектов в медицине и технике. Исполнители: Веденеев В.В., Абдухакимов Ф. А., Гареев Л.Р., Зайко Ю.С., Решмин А.И., Трифонов В.В., Чичерина А.Д., Агафонов С.Ф. 7. Разработана методика и проведены расчеты теплообменных характеристик для диффузорных каналов. С использованием трехпараметрической дифференциальной модели турбулентности, дополненной уравнением переноса для турбулентного потока тепла, выполнено численное моделирование теплообмена в пластинчатых теплообменниках с диффузорными каналами с малыми углами раскрытия. Показано, что в таких теплообменниках за счет интенсификации теплообмена количество переданного тепла от “горячего” теплоносителя к “холодному” возрастает по сравнению с теплообменниками с каналами постоянного сечения, при этом гидравлические потери оказываются меньше, чем в теплообменниках с прямыми каналами. Исполнители: Решмин А.И., Трифонов В.В., Тепловодский С.Ч., Агафонов С.Ф., (от лаб. 108 Лущик В.Г., Макарова М.С.).
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: 1. Экспериментально и численно, в осесимметричной постановке, исследовано влияние шума на изменение свойств течений вязкой несжимаемой жидкости во вращающихся сферических слоях. Шум вносился случайными малоамплитудными колебаниями скорости вращения внутренней сферы относительно постоянного во времени среднего значения. Показано, что широкополосные случайные флуктуации скорости вращения вызывают увеличение кинетической энергии течения. Рассмотрены два случая - вращение только внутренней сферы и однонаправленное вращение сфер с равными угловыми скоростями. Установлено, что в этих двух случаях течения по разному реагируют на внесение возмущений: азимутальная компонента скорости течения увеличивается на порядок больше в первом случае по сравнению со вторым, тогда как во втором случае наблюдается многократное возрастание очень малой по величине меридиональной компоненты кинетической энергии течения. Проведено сравнение с экспериментом, подтверждающее обнаруженную в расчетах возможность увеличения средней скорости в отдельных областях течения с увеличением амплитуды флуктуаций. Проведенный для случая вращения только внутренней сферы анализ линейной устойчивости осредненных во времени осесимметричных течений по отношению к трехмерным возмущениям показал, что величины инкрементов нарастания линейных мод возрастают с увеличением кинетической энергии течения и, соответственно, досигают положительных значений при меньших, чем в отсутствие шума, числах Рейнольдса. Это означает возможность уменьшения предела устойчивости течения при добавлении шума. Исполнители: Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э. Результаты опубликованы в ЖТФ,2021, т.91, вып. 6, С.933-940. 2. С использованием трехпараметрической дифференциальной модели турбулентности, дополненной уравнением переноса для турбулентного потока тепла, проведено численное исследование течения и теплообмена в круглых и кольцевых каналах с различной степенью расширения. Показано, что в кольцевом расширяющемся канале при всех рассмотренных изменениях угла раскрытия и чисел Рейнольдса основные характеристики теплообмена – число Нуссельта и коэффициент аналогии Рейнольдса – оказываются значительно выше, чем в канале постоянного сечения при том же числе Рейнольдса. Это превышение слабо зависит от изменения числа Рейнольдса в канале, но возрастает с увеличением угла раскрытия. Интенсификация теплообмена в расширяющемся кольцевом канале достигается без заметного роста коэффициента трения, что является принципиальным отличием рассмотренного способа интенсификации теплообмена от многих известных способов, где увеличение теплоотдачи достигается ценой значительного роста гидравлических потерь. Проведено численное исследование течения в суживающихся каналах и в круглых каналах с различными вариантами входных устройств с неоднородным профилем скорости и мелкомасштабной турбулентностью на входе. Показана возможность достижения ламинаризации течения при числах Рейнольдса Re > 10000. Исполнители: Решмин А.И., Агафонов С.Ф., Зайко Ю.С., Тепловодский С.Х., Трифонов В.В., Чичерина А.Д. Результаты опубликованы: Сборник Proceedings of the 8th International Conference on Fluid Flow, Heat and Mass Transfer (FFHMT’21), Avestia Canada, с. 133-138. Инженерно-физический журнал, издательство Наука и техника (Минск), том 94, № 2, с. 483-495. Сборник Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: тезисы докладов XXIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева, с. 76-77. Журнал Программная инженерия, издательство Новые технологии (Москва), том 12, № 1, с. 21-30 и № 2, с. 89 - 106. 3. Факт возникновения вторичных течений в неоднородных в направлении размаха турбулентных течениях легко объясняется. Однако физические интерпретации этого явления, способные в каждом конкретном случае надёжно предсказывать форму вторичного течения и его влияние на локальные распределения трения и теплопередачи на стенке до сих пор дискутируются в литературе. Кроме вариации геометрии течения экспериментальные и расчетные исследования проводятся с целью изучения взаимодействия вторичных течений Прандтля 2-ого рода с другими физическими факторами, такими, например, как силы плавучести или воздействие магнитного поля. Обнаружено, что пространственная неоднородность течения в направлении размаха, вызывающая вторичных течений Прандтля 2-ого рода может быть обеспечена неоднородностью шероховатости стенки. Аналогичного эффекта можно добиться и без явного введения шероховатости путём искусственного изменения напряжения трения на стенке. Были обобщены результаты прямого численного моделирования турбулентных течений в прямых трубах различного поперечного сечения. Был дан обзор экспериментальных, теоретических и численных исследований вторичных течений в прямых трубах и каналах. Особое внимание было уделено вопросу выявления физических механизмов формирования вторичных течений, построения моделей априорной оценки их формы, затронуты вопросы специфики развития вторичных течений в открытых каналах и каналах с неоднородно шероховатыми стенками. Опубликованы также результаты обсуждения различных подходов к полуэмпирическому моделированию турбулентных потоков при наличии вторичных течений. Был разработан микромиксер новой конфигурации, состоящий из сферической камеры, в центре которой размещена ионоселективная микросфера. Стратифицированная жидкость вводится через камеру через входное и выходное отверстия под внешним градиентом давления, и внешнее электрическое поле направлено таким образом, что результирующий электроосмотический поток направлен против потока, управляемого давлением, что приводит к перемешиванию. С помощью прямого численного моделирования на суперкомпьютере были определены оптимальные значения приложенного электрического поля для обеспечения сильного перемешивания. Исполнители: Никитин Н.В., Краснопольский Б.И., Демехин Е.А., Попеленская Н.В. 1. Никитин Н. В., Попеленская Н. В., Stroh A. Вторичные течения Прандтля 2-го рода. Проблемы описания, предсказания, моделирования // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. — 2021. — № 4. — С. 73–99. DOI: 10.31857/S0568528121040095 2. Nikitin N. V., Popelenskaya N. V., Stroh A. Prandtl’s secondary flows of the second kind. problems of description, prediction, and simulation // Fluid Dynamics. — 2021. — Vol. 56, no. 4. — P. 513–538. DOI: 10.1134/S0015462821040091 3. Solenoidal and potential velocity fields in weakly turbulent premixed flames / V. A. Sabelnikov, A. N. Lipatnikov, N. Nikitin et al. // Proceedings of the Combustion Institute. — 2021. — Vol. 38, no. 2. — P. 3087–3095. DOI: 10.1016/j.proci.2020.09.016 4. Nikitin N. V. Transition problem and localized turbulent structures in pipes // Fluid Dynamics. — 2021. — Vol. 56, no. 1. — P. 31–44. DOI: 10.1134/S0015462821010092 5. Novel electroosmotic micromixer configuration based on ion‐selective microsphere / J. Schiffbauer, G. Ganchenko, N. Nikitin et al. // Electrophoresis. — 2021. DOI: 10.1002/elps.202100040
4 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: 1. Экспериментально исследованы возможности подавления неустойчивости во вращающемся сферическом слое с использованием модуляции скорости вращения. Показано, что при определенных параметрах модуляции возможно подавление неустойчивости. После снятия управляющего воздействия происходит восстановление неустойчивости, в том числе и со сменой волновых чисел. Установлена возможность длительного сохранения устойчивости течения после отключения управляющего воздействия, и показано, что сохранение устойчивости вызвано нелинейным взаимодействием азимутальных мод. 2. Проведены исследования развития турбулентности в круглых и кольцевых каналах переменного сечения. Изучались течения в каналах с малыми углами раскрытия, течение в которых безотрывно. Цель исследования - использовать эффект возрастания интенсивности турбулентности в теплообменных устройствах и повышение при этом их энергоэффективности, и поиск способов подавления турбулентности в трубах для снижения потерь при транспортировке газов и жидкостей. Расчеты течения в каналах переменного сечения проводились с помощью трехпараметрической RANS модели турбулентности. 3. Численно исследована устойчивость трехмерных течений во вращающихся сферических слоях в присутствии "белого" шума. Шум подводился к течению в виде случайных во времени флуктуаций скорости вращения с нулевым средним значением. Подтверждена возможность уменьшения критического значения чисел Рейнольдса, соответствующих пределу устойчивости, под действием шума. Ранее такой же результат был получен в результате анализа линейной устойчивости осредненных во времени осесимметричных течений в присутствии шума. Предложен новый метод определения положения предела устойчивости трехмерных течений в присутствии шума при нелинейных расчетах, отличающийся значительно меньшими вычислительными затратами по сравнению с известным подходом. Данный метод основан на определении зависимости амплитуды колебаний скорости от времени для чисел Рейнольдса, меньших по величине по сравнению с критическим значением, соответствующим пределу устойчивости. 4. Численно и экспериментально исследованы турбулентные характеристики в плоских, круглых и кольцевых расширяющихся и сужающихся каналах и проведена оценка влияния формы канала на увеличение или подавление турбулентности. Турбулентные характеристики потока в кольцевом канале переменного сечения численно исследовались с использованием трехпараметрической дифференциальной модели турбулентности. Разработана методика расчета формы канала по заданному изменению числа Рейнольдса и градиента давления по длине канала. Расчеты показали, что применение конических и кольцевых расширяющихся каналов в теплообменных аппаратах повышает их энергоэффективность по сравнению с теплообменниками с каналами постоянного сечения. 5. Рассмотрены различные способы ламинаризации течения и снижения гидравлического сопротивления в трубе с помощью управления осредненными и турбулентными параметрами течения. Расчеты для различных вариантов входных устройств с разными профилями скоростей и одинаковой мелкомасштабной турбулентностью на входе показывают возможность достижения ламинаризации течения в трубах при числах Рейнольдса Re > 10000. Из рассмотренных способов ламинаризации наиболее эффективным является вариант с организацией коаксиального течения с меньшей скоростью в центральной области и большей в пристеночной области. В такой конфигурации, согласно расчетам, ламинаризация происходила вплоть до числа Рейнольдса Re = 16000. 6. Было проведено численное исследование турбулентных пульсирующих течений в трубе квадратного сечения. Рассматривался режим доминирования потока, при котором расход жидкости не меняет знак в течение осцилляционного цикла. Были изучены течения при нескольких значениях частоты осцилляций. Результаты сопоставлялись с ламинарными осциллирующими течениями и турбулентным стационарным течением в квадратной трубе, а также пульсирующими турбулентными течениями в круглой трубе. Были определены интегральные и пульсационные характеристики турбулентности, их зависимость от частоты осцилляций. Обнаружилось, что при рассмотренном числе Рейнольдса Re = 2200 коэффициент сопротивления в пульсирующих течениях оказывается ниже, чем в стационарном. Снижение сопротивления увеличивается с ростом периода осцилляций, достигая величины в 14.7%. 7. Были смоделированы пространственно неравновесные турбулентные течения с изменяющейся по длине канала средней скоростью. Областью течения являлся плоский канал постоянной высоты H, а для обеспечения переменности средней скорости применялся вдув/отсос через стенки канала. В проведённых исследованиях установлена заметная фазовая изменчивость интенсивности внутренних вторичных течений, возникающих в угловых областях трубы квадратного сечения в пульсирующих потоках. Эта изменчивость наблюдается только при относительно низких частотах (больших периодах) осцилляций расхода. При высоких частотах эта изменчивость ослабляется или совсем пропадает. При повышенной амплитуде осцилляций на определённом отрезке периода мгновенное число Рейнольдса опускается ниже критического значения, при котором может поддерживаться турбулентность в стационарном (непульсирующем) потоке. Если частота осцилляций меньше некоторой критической, то поведение турбулентности близко к квазистационарному, и поэтому неминуемо происходит ламинаризация потока. 8. Выполнена оценка возможности использования тензорных ядер графических ускорителей в задачах моделирования несжимаемых турбулентных течений. Данные специализированные ядра обеспечивают многократно превосходящие показатели пропускной способности памяти и производительности (в 6-8 раз по сравнению со стандартными вычислительными ядрами графических ускорителей) при выполнении матрично-матричных операций с плотными матрицами малого размера для данных, представленных в пониженной точности. В совокупности с разработанными ранее алгоритмами итерационного уточнения решения, позволяющими без потери точности результирующего решения проводить подавляющий объем вычислений с одинарной точностью, данный подход может обеспечить существенное ускорение расчетов.
5 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: 1.Численно, в осесимметричной постановке, исследованы изотермические течения вязкой несжимаемой жидкости в сферическом слое вблизи предела устойчивости при вращении только внутренней сферы с относительной толщиной сферического слоя 1 в присутствии шума. Шум добавлялся в течение в виде случайных флуктуаций скорости вращения внутренней сферы относительно постоянного во времени среднего значения. Амплитуда шума определялась как отношение среднеквадратичных отклонений скорости вращения к средней величине скорости вращения. Спектр вносимых возмущений подобен спектру «белого» шума, с равными амплитудами спектральных составляющих во всем частотном диапазоне. Установлено, что при больших амплитудах шума зависимость от чисел Рейнольдса как средних величин азимутальной компоненты кинетической энергии течения, так и ее среднеквадратичных отклонений, линейна. В то же время при малых амплитудах шума в рассматриваемых зависимостях обнаружено наличие локальных экстремумов. Так, для зависимости средних величин азимутальной компоненты кинетической энергии от чисел Рейнольдса наблюдается локальный минимум вблизи предела устойчивости, а для зависимости флуктуаций кинетической энергии – локальный максимум вблизи предела устойчивости. Полученные в данных расчетах экстремумы представляют собой шумовые предвестники потери устойчивости, уже хорошо известные в теории динамических систем с шумом. 2.Численно, в осесимметричной постановке, исследованы особенности распространения широкополосных возмущений в виде белого шума в двух видах течений, а именно с вращением только внутренней сферы и со-направленным вращением обеих сферических границ с равными средними угловыми скоростями.Интегральным показателем распространения возмущений могут служить спектры кинетической энергии течений. Обнаружено, что для разных видов течений, при различных числах Рейнольдса и толщинах слоя наблюдаются одни и те же соотношения между наклоном спектра подводимого к течению шума и наклоном спектра азимутальной составляющей кинетической энергии течения: наклон спектра азимутальной составляющей кинетической энергии течений в обоих случаях равнялся 1. Установлено, что в случае со-направленного вращения сферических границ увеличение меридиональной компоненты кинетической энергии течений под действием белого шума на несколько порядков выше, чем увеличение азимутальной компоненты кинетической энергии при тех же амплитудах шума. Предложена простая аналитическая модель, позволяющая качественно объяснить полученные численно результаты, а именно существенную разницу в увеличении различных компонент кинетической энергии течений под действием шума. 3. Экспериментально изучена восприимчивость устойчивых и неустойчивых изотермических течений вязкой несжимаемой жидкости во вращающихся сферических слоях к воздействию шумов с различными спектрами. Эксперименты проведены в случае вращения только внутренней сферы при числах Рейнольдса ниже и выше предела устойчивости. Шум добавлялся в течение в виде случайных флуктуаций скорости вращения внутренней сферы относительно постоянного во времени среднего значения. Рассматривались два вида возмущений, отличающихся шириной частотного интервала с «белым» шумом: в первом случае от 0 до 1гц, во втором случае от 0 до 3 гц, на более высоких частотах наклон спектра близок к -1. Показано, что качественный вид спектров измеряемой скорости течения практически не зависит от вида спектра шума, и представляет собой «красный» шум с наклоном спектра равным -2. Установлено, что увеличение амплитуды случайных флуктуаций скорости вращения с меньшей шириной «белого» шума в спектре, приводит к более сильному возрастанию, как флуктуаций скорости течения, так и ее средних значений, по сравнению со случайными флуктуациями с большей шириной «белого» шума в спектре. Установлено, что увеличение средних скоростей течения и амплитуд флуктуаций скорости течения под воздействием шума выше для устойчивых течений по сравнению с неустойчивыми течениями. Исполнители: Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э. 4. Исследовано влияние интенсивности и масштаба турбулентности, формируемых на входе в плоский диффузор, на характеристики течения и теплообмена для ряда значений угла раскрытия диффузора и чисел Рейнольдса. Численное моделирование, проведенное с использованием трехпараметрической дифференциальной RANS-модели турбулентности, показало, что влияние величины входной интенсивности турбулентности на зависимость числа Стантона от входного числа Рейнольдса намного сильнее влияния входного масштаба турбулентности. До перехода к турбулентному режиму течения производство и диссипация энергии турбулентности минимальны, а с ростом числа Рейнольдса они возрастают, достигая максимума при числе Рейнольдса ~ 10^5, где зависимость числа Стантона от числа Рейнольдса также достигает максимума. Сравнение результатов численного исследования с экспериментальными данными других авторов показало удовлетворительное качественное и количественное согласование результатов. 5. Исследовано влияние на интенсификацию теплообмена угла раскрытия в круглом и плоском безотрывных диффузорах. Численное моделирование теплообмена показало, что при одинаковом угле раскрытия в круглом диффузоре число Нуссельта и интенсивность турбулентности существенно выше, чем в плоском диффузоре и это превышение возрастает с увеличением угла раскрытия. Рассмотрена возможность использования диффузорных каналов в пластинчатых и круглых «труба в трубе» теплообменниках и показана их большая эффективность по сравнению с теплообменниками с прямыми каналами. 6. Рассмотрены различные способы ламинаризации течения в трубе путем управления осредненными и турбулентными параметрами течения. Численное моделирование течения для трех вариантов входных устройств с разными профилями скоростей и одинаковой мелкомасштабной турбулентностью на входе показывает возможность достижения ламинаризации течения в трубах при числах Рейнольдса Re > 10000. Из рассмотренных вариантов входных устройств наиболее эффективным является вариант с организацией коаксиального течения с меньшей скоростью в центральной области и большей в пристеночной области. В такой конфигурации ламинаризация происходит вплоть до числа Рейнольдса Re = 16000. 7. На основе разработанной технологии формирования ламинарных затопленных струй спроектировано устройство локальной газодинамической защиты объектов от внешних атмосферных загрязнений. Проведены экспериментальные исследования основного элемента устройства - формирователя ламинарного потока диаметром 800 мм. Проведены измерения и визуализация воздушного потока на различных расстояниях от выхода из формирующего устройства, как в свободной струе, так и в струе, натекающей на защищаемую поверхность. В результате экспериментального исследования характеристик течения на различных расстояниях от выхода из формирователя, получено экспериментальное подтверждение возможности формирования требуемого для создания газодинамической защиты ламинарного газового потока. Исполнители: Решмин А.И., Агафонов С.Ф., Зайко Ю.С., Тепловодский С.Х., Трифонов В.В., Чичерина А.Д., Ашуров Д.А., Гареев Л.Р., Экстер Н.М.
6 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: 1. Проведены численные исследования по влиянию случайных во времени флуктуаций скорости вращения на изменение интенсивности устойчивых течений во вращающихся сферических слоях. 2. Проведены экспериментальные исследования по влиянию случайных во времени флуктуаций скорости вращения на свойства неустойчивых течений во вращающихся сферических слоях. 3. Проведены численные исследования параметров теплообмена в круглом и плоском безотрывных диффузорах. 4. Проведено численное исследование теплообменных аппаратов с диффузорными каналами с газовыми и жидкими теплоносителями в широком диапазоне чисел Прандтля. 5. Проведены экспериментальные исследования формирователя воздушного потока установки газодинамической защиты. 6. Показано влияние электрического поля трехфазных газовых пузырьков на динамику движения многофазной среды,состоящей из жидкости с содержащимися в ней пузырьками. 7. Разработана методика тестирования корректности работы алгоритма оптимизации параметров численных методов решения систем линейных алгебраических уравнений. 8. Описаны упрощённые модели, которые позволяют вычленить вклад физических механизмов движения электролита. 9. Разработан алгоритм расчёта оптимальных возмущений, развивающихся в пространственно изменяющихся течениях.
7 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: Численно, с использованием интегрирования по времени полных трехмерных уравнений Навье-Стокса, исследованы турбулентные течения вязкой несжимаемой жидкости в сферическом слое при встречном вращении сферических границ. Цель работы – проверка и уточнение полученных ранее экспериментальных данных, свидетельствующих о зависимости флуктуаций скорости течения от условий формирования турбулентности. Рассмотрены свойства турбулентных течений вблизи границы их формирования, при одних и тех же числах Рейнольдса, но различных условиях формирования течений. При первом (асинхронном) способе расчет течения начинается при неподвижной внутренней сфере, а скорость внешней ступенчатым образом изменяется от состояния покоя до выбранного значения. Затем изменяется скорость внутренней сферы при постоянной величине скорости вращения внешней. При втором, синхронном способе, угловые скорости вращения обеих границ одновременно изменяются из состояния покоя до выбранных значений чисел Рейнольдса. Расчеты проводились при параметрах, соответствующим параметрам ранее проводимых экспериментов. По результатам расчетов получено, что при различных способах формирования турбулентных течений отличаются между собой виды пространственных когерентных структур, уровни пульсаций скорости и их спектры. Так, при различных способах формирования турбулентности вблизи внутренней сферы различен не только вид когерентных структур, но и степень их когерентности, понимаемая как возможность выделения доминирующего волнового числа в азимутальном направлении. Показано, что чем выше степень когерентности, тем ниже амплитуда флуктуаций азимутальной компоненты кинетической энергии течений, что полностью соответствует имеющимся представлениям о взаимодействии когерентных структур и флуктуаций скорости. В локальных областях турбулентных течений интенсивность флуктуаций скорости различна при синхронном и асинхронном способах формирования. Отношение интенсивности флуктуаций скорости при различных условиях формирования демонстрирует наличие локальных экстремумов этого отношения в меридиональной плоскости течений. Установлено, что локальным экстремумам соответствует изменение вида спектра в соответствующих локальных областях течения. Так, увеличение интенсивности флуктуаций скорости течения ведет к замене спектра, соответствующего двумерной турбулентности, на спектр трехмерной турбулентности. Наоборот, уменьшение интенсивности флуктуаций скорости ведет к замене спектра, соответствующего трехмерной турбулентности, на спектр, соответствующий двумерной турбулентности. Полученные результаты позволят более обоснованно подойти к вопросу управления турбулентными течениями. Исполнители: Д.Ю. Жиленко, О.Э. Кривоносова. Численно исследовано воздействие двух видов шума с нулевым средним значением, с наклонами спектров 1 и 2, на генерацию средних течений и устойчивость течения вязкой несжимаемой жидкости во вращающемся сферическом слое. Цель работы - исследование влияния конечноамплитудных возмущений заданного вида на изменение положения предела устойчивости. Шум вносился в течение путем добавления к постоянной средней скорости вращения внутренней сферы случайных во времени флуктуаций при неподвижной внешней сфере. Рассматривается неустойчивость, приводящая к образованию вторичного течения с парой вихрей Тейлора, симметричных относительно оси вращения и плоскости экватора. Обнаружена более интенсивная генерация средних течений под действием шума с наклоном спектра 2 по сравнению с шумом с наклоном спектра 1. Показано, что увеличение амплитуды шума приводит с снижению критического числа Рейнольдса. При одних и тех же амплитудах шума критические значения чисел Рейнольдса ниже для шума с наклоном спектра 2 по сравнению с шумом с наклоном спектра 1. Таким образом, более интенсивная генерация средних течений до потери устойчивости при большем наклоне спектра шума приводит к снижению чисел Рейнольдса, соответствующих потере устойчивости. Исполнители: Д.Ю. Жиленко, О.Э. Кривоносова. Проведены экспериментальные исследования парогазовой кавитации при скольжении цилиндра по поверхности в гидрофобной жидкости. Показана возможность образования трехфазных кавитационных пузырьков с микрокаплями воды на границе раздела газ – гидрофобная жидкость. Обнаружено наличие собственного электрического поля у таких образований. Показано, что трехфазные кавитационные пузырьки под действием своих полей могут отталкиваться или объединяться с возникновением электролюминесценции. Получены два патента РФ по способу регистрации квазистатических электрических полей. Обнаружена неустойчивость Саффмана-Тейлора при газовой кавитации для течения между неконцентрическими цилиндрами. Получен патент РФ по эффективной дегазации жидкости с использованием данного режима течения. Подана заявка на получение патента РФ по образованию пузырьковой жидкости с собственным электрическим полем. Исполнитель: А.А. Монахов. Проведены численные исследования турбулентных течений в горизонтальном канале с разнонагретыми стенками – температура верхней стенки выше нижней. В этом случае реализуется вариант устойчивой стратификации. Учёт неизотермичности проводится в приближении Буссинеска. Определены характеристики турбулентности в зависимости от числа Рэлея. Получены режимы ламинаризации течения и найдены соответствующие критические параметры. Исполнители: Н.В. Никитин, Н.В. Попеленская. Проведен сравнительный анализ локальных и интегральных характеристик течения и теплообмена в круглых и плоских безотрывных диффузорах, обеспечивающих интенсификацию теплообмена. Численное моделирование показало, что с ростом угла раскрытия диффузора основные характеристики теплообмена – число Нуссельта и коэффициент аналогии Рейнольдса – значительно выше, чем в канале постоянного сечения при том же числе Рейнольдса. При одинаковом угле раскрытия в круглом диффузоре число Нуссельта существенно выше, чем в плоском диффузоре и это превышение возрастает с увеличением угла раскрытия диффузоров. Однако коэффициент аналогии Рейнольдса для круглого диффузора при этом не столь существенно превышает соответствующую величину для плоского диффузора за счет большего значения коэффициента трения в круглом диффузоре. Численно исследовано влияния числа Рейнольдса на характеристики течения и теплообмена в диффузорах. Показано, что с ростом числа Рейнольдса коэффициент аналогии Рейнольдса, как текущий, так и средний по длине диффузора немного уменьшаются. Уменьшается также среднее по длине число Нуссельта, в то время как коэффициент трения остается практически постоянным. Интенсификация теплообмена в круглом и плоском безотрывных диффузорах с малыми углами раскрытия и гладкой поверхностью реализуется при небольшом росте коэффициента трения, значительном росте числа Нуссельта (в большей степени для круглого диффузора) и коэффициента аналогии Рейнольдса, что характеризует принципиальное отличие рассмотренного способа интенсификации теплообмена от других известных способов, где увеличение теплоотдачи (числа Нуссельта) достигается ценой значительного роста гидравлических потерь. Проведено численное моделирование течения в элементе пластинчатого противоточного теплообменника, смежные каналы которого представляют собой плоские безотрывные диффузоры с гладкой поверхностью. Расчеты характеристик теплообмена проведены для теплообменников с водой в качестве теплоносителя с учетом её физических свойств в диапазоне температур, характерном для высоконапорных теплообменников. Проведенные расчеты показали, что мощность теплообмена в пластинчатых теплообменниках с гладкими стенками каналов примерно на 20% меньше, чем в теплообменниках с гофрированными каналами при всех одинаковых параметрах, но при существенно (в разы) меньших потерях давления в каналах. Уменьшением расстояния между гладкими пластинами можно добиться сопоставимой мощности теплопередачи, не превышая допустимые потери давления. При одинаковой мощности теплопередачи гидравлическое сопротивление теплообменника с диффузорными каналами может быть меньше сопротивления теплообменника с гофрированными каналами при тех же размерах пластин. Численное исследование показало, что в теплообменниках с плоскими гладкими каналами длиной 400 мм и высотой 5 мм при разнице входных температур теплоносителей 70 K в нагреваемом канале при разогреве воды и уменьшении её коэффициента динамической вязкости происходит ламинаризация течения и более чем двукратное снижение числа Нуссельта по сравнением с его значением в начале канала. Использование в теплообменнике диффузорных каналов с углом раскрытия всего лишь 0.25 градуса увеличивает продольный градиент давления и предотвращает ламинаризацию течения. Увеличение угла раскрытия до 0.5 градуса приводит к почти трехкратному увеличению числа Нуссельта по сравнению с каналом постоянного сечения. При этом в нагревающем канале из-за такого расширения число Нуссельта также увеличивается примерно на 15 %. В результате мощность теплопередачи в теплообменнике с диффузорными каналами с углом расширения 0.5 градуса примерно на 40% превышает мощность теплообмена в теплообменнике с каналами постоянного сечения. Исполнители: А.И. Решмин, А.Д. Чичерина. Разработана экспериментальная установка для исследования влияния расширения каналов теплоносителя на характеристики теплообмена в противоточном теплообменнике "труба в трубе" с теплоносителями вода-вода. Установка оснащена аппаратно-программным комплексом контроля основных параметров теплообмена и их фиксации. Проведены измерения характеристик теплообмена в противоточном теплообменнике с диффузорными и конфузорными каналами. Получены зависимости мощности теплообмена и температуры нагрева холодного теплоносителя при изменении его расхода при заданных параметрах горячего теплоносителя в режимах "диффузор-диффузор" и "конфузор-конфузор". Эксперимент показал, что мощность теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному при расходе горячего теплоносителя ~40 г/с (Re ~ 5500) в режиме работы теплообменника диффузор-диффузор превышает мощность в режиме конфузор-конфузор более чем на 30%. Исполнители: А.И. Решмин, В.В. Трифонов, С.Ф. Агафонов, С.Х. Тепловодский. С использованием RANS-модели турбулентности проведено численное исследование сжимаемого турбулентного пограничного слоя с положительным и отрицательным градиентом давления в набегающем потоке. Исследование проведено для ряда значений входного числа Маха и температурного фактора. Показано, что коэффициент аналогии Рейнольдса в сжимаемом турбулентном слое с положительным градиентом давления возрастет, а с отрицательным градиентом давления уменьшается по длине пластины. Это является следствием турбулизации пограничного слоя в потоке с положительным градиентом давления и ламинаризации его в потоке с отрицательным градиентом давления и подтверждается возрастанием и падением интенсивности турбулентности для соответствующего градиента давления. Для сжимаемого пограничного слоя проведено сравнение результатов численного исследования с использованием RANS-модели турбулентности с DNS-результатами прямого численного моделирования в широком диапазоне чисел Маха. Результаты расчетов коэффициента трения удовлетворительно согласуются с результатами DNS-расчетов и экспериментальными данными. Результаты расчетов локальных характеристик течения для профилей скорости согласуются DNS-расчетами качественно, а для профилей напряжении сдвига и количественно. Показано, что при числах Маха 6 < M < 14 в RANS-модели турбулентности не требуется изменения констант модели. Результаты тестирования RANS-модели турбулентности удовлетворительно согласуются с DNS-результатами, что позволяет рекомендовать использование ее в инженерных расчетах гиперзвукового пограничного слоя не требующих мощных вычислительных систем. Исполнители: А.И. Решмин, А.Д. Чичерина. Проведены исследования различных форматов хранения данных для эффективной реализации численных методов решения систем уравнений на графических ускорителях. Показано, что в достаточной степени эффективным и универсальным для матриц общего вида оказывается формат Adaptive CSR (adaptive compressed sparse row), являющийся комбинацией нескольких вариантов базового формата CSR для разных характерных длин строк матрицы. Использование данного формата при решении систем линейных алгебраических уравнений на графических ускорителях позволяет получать ускорения при переходе с центральных процессоров на графические ускорители, близкое к отношению пропускной способности памяти вычислительных устройств (характерное значение - порядка 10). Проведено тестирование алгоритмов оптимизации параметров численных методов решения систем линейный алгебраических уравнений для различных наборов входных данных и критериев оптимизации, включая: полное время решения системы уравнений, нормированное время с учетом размера системы уравнений, оптимизация для нескольких систем уравнений, оптимизация с учетом ограничения на потребление памяти, оптимизация под различные вычислительные платформы и пр. Показано, что разработанный ранее алгоритм позволяет выполнять в автоматизированном режиме адаптацию параметров алгоритмов под используемую вычислительную платформу и различные варианты целевых функций. Исполнители: Б.И. Краснопольский, Р.М. Куприй, А.А. Петрушов
8 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: -
9 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: -
10 1 января 2028 г.-31 декабря 2028 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: -
11 1 января 2029 г.-31 декабря 2029 г. Устойчивость гидродинамических течений и турбулентность
Результаты этапа: -

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".