Численное и физическое моделирование ламинарно-турбулентного перехода в каналах с препятствиями Охотников Дмитрий Иванович

Введение к работе

Актуальность темы

Ламинарно-турбулентный переход (ЛТП), как направление механики жидкости и газа, в течение многих десятилетий вызывает неизменный интерес исследователей. ЛТП наблюдается в задачах внешней (обтекание крыловых профилей, лопаток турбин) и внутренней (течения в трубах, каналах, теплообменниках) аэродинамики. Этот процесс представляет практический и теоретический интерес, в частности, потому что он сопровождается резким увеличением сопротивления и интенсивности теплообмена. Понимание механизмов ламинарно-турбулентного перехода важно при проектировании теплообменных и летательных аппаратов.

Изучению ламинарно-турбулентного перехода посвящено множество теоретических и экспериментальных работ. В работах Н.В. Никитина, Т. Miyazaki, К. Shigeo путем прямого численного моделирования изучен механизм естественного перехода к турбулентности в трубах. Значительный вклад в развитие численного моделирования турбулентных потоков внесли М.Х. Стрелец, Е.М. Смирнов, С.А. Исаев, А.Е. Усачов и др. Исследованию ЛТП в сверхзвуковом потоке при взаимодействии с ударными волнами посвящены работы В.Я. Нейланда, И.И. Липатова, ДА. Любимова. Процесс перехода к турбулентности в плоских каналах и каналах с препятствиями исследован в работах Б.Л. Рождественского, Z. Yang, G. Papadakis, N. Kanaris., Н. Badr и др.

Среди современных экспериментальных исследований перехода к турбулентности следует отметить работы А.В. Бойко, А.В. Довгаля, В.В. Козлова, Г.В. Грека, Ю.С. Качанова, А.В. Ваганова, Б.Ю. Занина и др.; влияние ЛТП на структуру течения и теплообмен в каналах с препятствиями изучено в работах И.И. Михеева, А.В. Щукина, М. Denham, В. Armaly.

Как теоретический, так и экспериментальный подход к изучению ЛТП обладает рядом достоинств и недостатков. Теоретический подход позволяет провести глубокий анализ изучаемого течения, но при этом ограничен потоками простых конфигураций. Вихреразрешающие численные методы позволяют моделировать сколь угодно сложные течения, но при этом требуют больших вычислительных затрат и верификации полученных результатов. Экспериментальные методы наглядны и способствуют пониманию физической сущности явления, но ограничены своей разрешающей способностью и сложностью проведения эксперимента. Результаты, представленные в большинстве научных работ, получены при достаточно больших числах Re > 10⁴, что заставляет авторов прибегать к моделям турбулентности, использующим эмпирические данные, либо наоборот, при слишком малых Re < 10², где течение ламинарно. Анализ публикаций по ЛТП свидетельствует, что на сегодняшний день не сформировалось единое представление о механизмах образования пристеночных вихрей и перехо-

де к турбулентности в следе за препятствиями в каналах. Таким образом. изучение процесса возникновения турбулентности при отрыве потока за препятствием в каналах на основе комплексного численно-экспериментального подхода является актуальной задачей.

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование ламинарно-турбулентного перехода в каналах с препятствиями цилиндрической формы при умеренных числах Рейнольдса, а также разработка эффективной численно-экспериментальной методики определения основных гидродинамических и статистических характеристик изучаемого явления.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Разработать эффективную численно-экспериментальную методику для определения теплообменных, гидродинамических и статистических характеристик ЛТП в каналах с препятствиями цилиндрической формы для умеренных чисел Рейнольдса вплоть до 500.

2. Провести численное моделирование течения в канале с поперечным выступом на стенке. Выполнить верификацию полученного решения по данным эксперимента. Сформулировать критерий перехода к турбулентности и проанализировать влияние ламинарно-турбулентного перехода на теплообмен.

3. Провести численное и физическое моделирование течения в канале с поперечным цилиндрическим препятствием вблизи стенки. Выполнить верификацию полученных результатов. Проанализировать структуру течения в следе за препятствием и определить причины ЛТП.

4. Провести численное моделирование течения в канале с переменным расходом. Выполнить верификацию полученного решения по данным эксперимента. Определить влияние наложенной нестационарности на структуру потока и теплообмен.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач используются подходы механики жидкости, газа и плазмы, а также численные методы решения нелинейных задач механики. Экспериментальная часть диссертации выполнялась на инструментальной базе лаборатории гидродинамики и теплообмена Казанского научного центра Российской академии наук. Научная новизна:

1. Проведено численное моделирование течения в канале с поперечным выступом на стенке при умеренных числах Рейнольдса. На основании анализа структуры течения за выступом, сформулирован критерий ламинарно-турбулентного перехода. Показано определяющее влияние угловых спиралевидных вихрей на ЛТП. Установлено, что переход к турбулентности в следе за препятствием

приводит к приросту теплоотдачи до 40% по сравнению с гладким каналом.

2. Проведено численное и физическое моделирование течения в канале с поперечным цилиндрическим препятствием вблизи стенки при умеренных числах Рейнольдса. Установлено значение критического числа Re*, при котором в следе за препятствием происходит переход к турбулентности. Показано, что причиной ЛТП является потеря устойчивости плоского течения, которая приводит к существенной трехмерности потока в следе. Выявлена немонотонная зависимость Cd(Re).

3. Проведено численное моделирование течения в канале с переменным расходом для чисел Струхаля Sh = 0.1 4- 0.44 и безразмерной амплитуды /3 = 0.07 4- 0.3. Впервые показано, что за счет наложенной нестационарности можно обеспечить интенсификацию теплоотдачи за поперечным полуцилиндрическим препятствием в канале до 60% по сравнению со стационарным режимом.

Практическая значимость. Разработанная численно-экспериментальная методика для определения гидродинамических и статистических характеристик ЛТП может применяться к течениям в каналах с препятствиями различных конфигураций. Результаты моделирования теплообмена в канале с поперечным препятствием на стенке могут быть использованы при проектировании теплообменных аппаратов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Численно-экспериментальная методика для определения тепло-обменных, гидродинамических и статистических характеристик ЛТП в каналах с препятствиями цилиндрической формы для умеренных чисел Рейнольдса вплоть до 500.

2. Результаты численного моделирования течения в канале с поперечным выступом на стенке. Описание механизма ламинарно-турбулентного перехода в следе за препятствием.

3. Результаты численного и физического моделирования течения в канале с поперечным цилиндрическим препятствием вблизи стенки. Описание вихревой структуры потока в следе за препятствием.

4. Результаты численного моделирования течения в канале с переменным расходом. Результаты исследования влияния наложенной нестационарности потока на теплообмен.

Достоверность полученных результатов обеспечивается адекватным применением классических методов механики сплошной среды, основанных на фундаментальных законах сохранения, а также численных методов, используемых для нахождения приближенного решения системы дифференциальных уравнений. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием аттестованного оборудования, апробированных методик и средств измерения гидродинамических параметров

потока. Полученные в работе результаты согласуются друг с другом, а также с результатами других исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 13 конференциях и семинарах: X, XI Международные конференции по неравновесным процессам в соплах и струях, г. Алушта, Крым, 2014, 2016; IX, X Школы-семинары молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова, г. Казань, 2014, 2016; Шестая российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ - 6), г. Москва, 2014; V международная конференция «Теплообмен и гидродинамика в закрученных потоках», г. Казань, 2015; XXIV Всероссийский семинар с международным участием «Струйные, отрывные и нестационарные течения», г. Новосибирск, 2015; XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, г. Казань, 2015; Шестнадцатая Международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики», г. Евпатория, 2016; Видеосеминар по аэромеханике ЦАГИ — ИТПМ СО РАН — СПбГПУ — НИИМ МГУ, г. Казань, 2016; II Всероссийская научная конференция «Теплофизика и физическая гидродинамика» с элементами школы молодых ученых, г. Ялта, Крым, 2017; Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых ученых «XXXIII Сибирский теплофизи-ческий семинар посвященный 60 - летию Института теплофизики им. СО Кутателадзе СОРАН», г. Новосибирск, 2017; XXI школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева, г. Санкт-Петербург, 2017.

Личный вклад. Автор принимал участие в постановке задач и обсуждениях результатов исследования. Все расчеты, а также эксперименты по поперечному обтеканию цилиндрического препятствия вблизи стенки в канале и их обработка проведены лично автором. Эксперименты по обтеканию препятствия на стенке канала стационарным и пульсирующим потоком выполнены А.В. Малюковым. Все результаты, выносимые на защиту, принадлежат автору.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 23 печатных изданиях, 6 из которых - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Шесть статей опубликованы в журналах, индексируемых в системах цитирования Scopus и Web of Science.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 127 страниц, включая 75 рисунков. Список литературы содержит 167 наименований.