Введение к работе
Актуальность темы.
Полуэмпирическая теория турбулентности является, невидимому, единственным базисом для расчетов прикладных задач турбулентности. Вследствие незамкнутости уравнений турбулентности необходим анализ основных воздействий, формирующих турбулентные напряжения в потоке газа или жидкости.
Рассмотрение турбулентных течений в каналах с вращением потока связано со следующими обстоятельствами. Под воздействием вращения потока и кривизны линий тока видоизменяется структура турбулентности в потоке, проявляются более сложные связи между полями скорости, температуры, концентрации и турбулентными потоками импульса, тепла и концентрации примеси, чем используемые в более простых моделях турбулентного переноса для течений без вращения. Усложняют соотношения и другие воздействия на поток, например, действие архимедовых и других сил.
Диссертация посвящена построению теоретических моделей и их численной реализации для турбулентных потоков с вращением в каналах.
Научная новизна работы.
Работа, изложенная в диссертации является шагом построения моделей в полуэмпирической теории турбулентности. Проведена систематизация моделей, построенных па использовании масштаба турбулентности в качестве одного из параметров и моделей, где в качестве одного из параметров выбирается скорость диссипации энергии турбулентности. Для трех важных типов потоков с вращением построены дифференциальные и алгебраические модели турбулентности и составлены численные коды для их реализации. Проведены численные расчеты для условий близким к экспериментальным. Результаты расчетов анализируются с точки зрения орпеделяющих параметров и даются рекомендации по использованию моделей в существующих гидродинамических пакетах программ.
Цель работы.
Основной целью работы было построение дифференциальных и алгебраических моделей турбулентности для потоков с вращением. На основе выбора моделей турбулентности целью работы было создание пакета прикладных программ для расчетов течений. Следующей целью являлось сопоставление с экспериментальными результатами и рекомендации по использованию моделей турбулентности и численных алгоритмов для их реализации.
Методика исследования работы.
В работе используются методы полуэмпирической теории турбулентности для построения новых аппроксимаций членов в уравнении для скорости диссипации и других членов, определяющих крупномасштабную структуру турбулентности с прямым учетом вращения на турбупептный поток. Для численного моделирования задач используется приближение пограничного слоя. Система уравнений для осредненных скоростей продольного, радиального и азимутального движений решается численно методом прогонки на довольно мелкой сетке для рассматриваемых задач. Все методики апробированы и в предельных случаях совпадают с известными решениями.
Практическая ценность.
Закрученные течения и следы в камерах сгорапия турбип, в каналах между лопатками турбин и др. относятся к сложным сдвиговым течениям. Турбулентные ПОЛЯ в таких течениях становятся трехмерными, сильно неоднородными с сильно выраженной анизотропией "коэффициентов переноса", которые приобретают некоторый условный смысл.
Течения с вращением в каналах используются в различных типах камер сгорания и других аэродинамических устройствах, поскольку они интенсифицируют смешение горючего и окислителя и расширяют зону энерговыделения стабилизируя горение пламени. Для улучшения процессов стабилизации пламени и смешения в вихревых камерах сгорания используются сооспо оакрученные потоки. Закрутка внутреннего и внешнего потоков может производиться в одном и в противоположных направлениях.
На оащиту выносятся:
-
Построение моделей в полуэмпирической теории турбулентности для потоков с вращением, модернизированное уравнение для скорости диссипации турбулентности, которое является основным в моделях турбулентности с использованием скорости диссипации в качестве параметра турбулентности.
-
Общий метод получения транспортных уравнений для осредненного течения, вторых и третьих моментов для потоков с вращением в полярной, цилиндрической и косоугольной системах координат.
-
Модели турбулентности, численный алгоритм и результаты расчетов осесимме-тричного турбулентного течения в цилиндрическом канале со сложной закруткой соответствующей вращению внутреннего ядра как твердого тела, а внешней части как вихря Бюргерса в начальном сечении канала и развитие течения вниз по потоку.
-
Модели, уравнения, численный алгоритм и результаты расчетов течения в косоугольном канале с вращением потока.
5. Модели турбулентности, численный алгоритм и результаты расчетов плоского течения с поворотом вектора средней скорости.
Апробация работы.
Отдельные части и результаты работы докладывались на YII Международной конференции по стратифицированным и вращающимся жидкостям (Сапкт - Петербург, 1995г.), 14 Международной конференции по магнитной гидродинамике (Рига, 1995г.), Международной конференции по динамике океана и атмосферы, (Москва, 1995г.), Международной школе по современным технологиям, (Москва, 1995г.), 39, 40 и 41 научных конферениях Московского физико-технического института, (1996-1998 гг.) .
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из Введения, 6 глав, Заключения, списка литературы и содержит 155 страниц, включая 34 рисунка. В списке литературы содержится 57 наименований.