Экспериментальное исследование генерации и устойчивости тепловых концентрированных вихрей
Скачать 268.29 Kb.
|
| На правах рукописи ГОРБАЧЕВ Максим Александрович ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ И УСТОЙЧИВОСТИ ТЕПЛОВЫХ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВИХРЕЙ 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук. Научный руководитель: член-корреспондент РАН, профессор Вараксин А.Ю. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Синкевич О.А.; кандидат технических наук Ивочкин Ю.П. Ведущая организация: МГТУ им. Н.Э. Баумана. Защита состоится “_____” ____________ 2013 г. в ___ ч. ____ мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур Российской академии наук по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, д.13, стр. 2, экспозиционный зал. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН. Автореферат разослан “_____” ____________ 2013 г.  Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н. А.Л. Хомкин © Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Вихревое движение – одно из основных состояний движущейся сплошной среды. Примечательно, что во многих случаях завихрённость локализуется в пространстве, вследствие чего формируются концентрированные вихри, которые привлекают повышенный интерес с точки зрения как фундаментальных исследований, так и практики. Достаточно четкое определение концентрированного вихря можно дать для случая идеальной жидкости: это локализованная в пространстве область с ненулевой завихрённостью, окруженная потенциальным течением. В природе и технике реализуется множество вихревых движений, которые можно рассматривать как концентрированные вихри с той или иной степенью приближения к указанным выше идеализированным объектам. Примерами технических устройств, в которых используются вихревые потоки, являются циклонные сепараторы, вихревые трубы, центробежные форсунки, вихревые топочные камеры и горелки, различные турбулизаторы и многое другое. Так, в вихревом расходомере именно по частоте прецессии концентрированного вихря в закрученном потоке определяют расход жидкости. Возникновение прецессирующего вихревого жгута за рабочим колесом гидротурбины вызывает интенсивные пульсации давления, что может привести к катастрофическим последствиям. При обтекании треугольного крыла формирование вихревых жгутов и их распад влияют на подъемную силу и управляемость крыла. Управление обтеканием тел с использованием вихревых ячеек является одним из перспективных и актуальных направлений современной гидрогазодинамики. Использование вихревых эффектов открывает широкие возможности для интенсификации ряда процессов (смешение, горение) и управления их устойчивостью. Такие макромасштабные явления, как океанические вихри или атмосферные циклоны (антициклоны), тоже относятся к концентрированным вихрям. Но их масштабы сопоставимы (и больше) с толщиной слоя атмосферы (океана), вследствие чего их описание имеет свою специфику. Среди природных явлений, имеющих отношение к концентрированным вихрям, несомненно, следует назвать смерчи (в англоязычной литературе используется несколько более узкий термин - торнадо), а также их мелкомасштабные аналоги – водяную воронку и “пыльный дьявол”. В настоящий момент среди сведений, относящихся к смерчам, есть результаты фото и киносъёмок, словесные описания очевидцев и следы деятельности смерчей, а также результаты радиолокационных наблюдений. Стоит отметить, что исследовать смерч не только трудно, но и опасно – при непосредственном контакте он уничтожает не только измерительную аппаратуру, но и наблюдателя. Сложность поведения концентрированных вихрей влечет за собой большие трудности, как при математическом описании, так и экспериментальном исследовании. Решение трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса для столь сложного гидродинамического и теплофизического объекта, каковым является концентрированный вихрь, даже с учетом динамики развития методов прямого численного моделирования (DNS-метод, LES-метод и др.) вряд ли осуществимо в ближайшее время в силу чрезвычайной сложности постановки граничных и начальных условий. Наиболее распространенный подход к описанию динамики деформированного протяженного вихря заключается в применении закона Био-Савара с использованием приближения тонкой вихревой нити. По-видимому, больший эффект для понимания физики и построения теории вихревых течений будут иметь простые аналитические или полуэмпирические модели. Целью работы является проведение серии экспериментов по генерации в лабораторных условиях свободных концентрированных нестационарных вихрей и изучению их характеристик, а также апробация метода воздействия на вихревые образования с помощью сеток различной конфигурации. Достижение этой цели предполагает решение следующих основных задач:
Научная новизна работы состоит в следующем:
Основные положения, выносимые на защиту:
Достоверность. Достоверность представленных в диссертации результатов изучения структуры свободных концентрированных вихрей подтверждена оценкой величины погрешности измерений, сравнением с аналитическими моделями концентрированных вихрей и данными измерений других авторов. Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в использовании оригинальной установки, позволяющей получать в лабораторных условиях нестационарные свободные концентрированные вихри без использования закручивающих устройств. Получены новые данные по нестационарным вихревым структурам: в частности, условия их генерации при неустойчивой стратификации воздуха, процессы образования и распада, распределение скоростей в поперечных сечениях воронки вихря. На основании исследований по взаимодействию вихревых структур с сеточными преградами предложен новый способ воздействия на природные вихревые образования, имеющий ряд преимуществ с точки зрения эффективности и технической простоты реализации. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 14-ой международной конференции «International Heat Transfer Conference» (Вашингтон, США, 2010); 5-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010); XI Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2011); IV Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2011); Всероссийской конференции «Механика и наномеханика структурно-сложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы» (Москва, 2009); Всероссийской конференции «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред» (Москва, 2010); Всероссийской конференции «Механика наноструктурированных материалов и систем» (Москва, 2011); VI школе-семинаре «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» (Москва, 2010). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 110 страницах, содержит 73 рисунка и список литературы из 120 наименований. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Во введении обоснованы актуальность темы, сформулированы цели исследования, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, и кратко описана структура диссертации. В первой главе приведен обзор экспериментальных работ, посвященных моделированию стационарных концентрированных вихрей в лабораторных условиях. В одной из первых работ Long’a (1956) образование стационарной водяной воронки осуществлялось путем вращения цилиндрического сосуда большого размера с жидкостью вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью. Позднее Ying and Chang (1969) провели эксперимент по моделированию воздушных концентрированных вихрей, где принудительная закрутка потока достигалась за счет вращения цилиндрического экрана из проволоки, расположенного соосно с вихрем. Наиболее распространенным классом экспериментальных установок по генерации концентрированных вихрей являются установки Ward-type. Конструкция первой установки данного класса описана в работе Ward (1971). В ней принудительная закрутка потока осуществлялась за счет применения направляющих лопаток и вентилятора. В последствие был создан ряд экспериментальных установок данного класса (Wilkins et al. (1974), Church et al. (1976), Snow et al. (1987), Monji and Wang (1988), Lyle (2002), Haan et. al. (2008)). Принципиально отличается установка Макаренко и др. (1987) по моделированию вертикальной неустойчивости атмосферы, в которой вихревые структуры во вращающемся сосуде с жидкостью возникают при колебаниях вдоль оси вращения диска с отверстиями. Одними из первых аналитических моделей концентрированных вихрей являлись так называемый вихрь Лонга (1958) и стационарная модель смерча Гутмана (1957). Достаточно простая модель концентрированного вихря, основанная на рассмотрении уравнения Бернулли во вращающейся жидкости, предложена в работе Yih (2007). Механизмы возникновения циркуляции в покоящейся жидкости анализируются в стоковой теории смерча Смульского (1997). Модели вихрей, основанные на автомодельном решение системы уравнений Навье-Стокса для закрученной осесимметричной струи, рассматриваются в работах Якимова (1988), Сычева (1989). Аналитическое описание целого класса концентрированных вихрей на основе модифицированной модели вихревой нити дается в работе Shtern (1997). При численном моделировании концентрированных вихрей значительной трудностью является задание корректных граничных и начальных условий. Пионерской работой, рассматривающей процесс формирования концентрированных вихрей вследствие конвективной неустойчивости вблизи подстилающей поверхности, является исследование Rotunno (1977). Анализу динамики концентрированных вихрей на основе метода крупных вихрей (LES-метод) посвящены исследования Lewellen (2007). Лишь в некоторых работах предпринята попытка учета фазовых превращений (Синкевич (2002), Ingel (2004)). В главе описаны основные виды вихревых структур: вихрь Рэнкина, вихрь Ламба-Озеена, вихрь Бюргерса. Во второй главе описана созданная экспериментальная установка и методика проведения измерений. Установка позволяет осуществлять контролируемый нагрев газовой горелкой (максимальная тепловая мощность – 3,5 кВт) подстилающей поверхности алюминиевого листа (диаметр – 1100 мм, толщина – 1,5 мм). Нагрев листа снизу приводит к генерации нестационарных вихревых структур вследствие создания над ним неустойчивой стратификации воздуха (рис.1). Необходимо отметить, что в отличие от большинства проведенных ранее экспериментальных исследований, используемая установка позволяла осуществлять генерацию свободных (не ограниченных стенками) концентрированных нестационарных вихревых структур без использования механических закручивающих устройств. В главе представлено описание диагностических средств, используемых в процессе проведения экспериментов: термопар, инфракрасного термометра, термоанемометра, фото- и видеокамер. С целью детального изучения полей мгновенных скоростей генерируемых вихревых структур использовался полевой измеритель скоростей «ПОЛИС» (ИТ СО РАН), позволяющий проводить бесконтактные измерения методом цифровой трассерной визуализации (PIV-метод) с высоким пространственно-временным разрешением и относительно малыми погрешностями. Эксперименты проводились на различных тепловых режимах (табл.1), характеризующихся своими временами нагрева (  ), временами охлаждения ( ) и величиной максимальной температуры в центре подстилающей поверхности ( ).Для визуализации генерируемых вихревых структур использовались частицы-трассеры (частицы магнезии микрометровых размеров), которые наносились тонким слоем на подстилающую поверхность перед проведением экспериментов либо «дым», получаемый при кипении специальной жидкости (VDLSL5, фирма Velleman, Бельгия). Представлено распределение используемых частиц магнезии по размерам, полученное путем обработки снимков с оптического микроскопа. Большинство частиц  Рис.1. Схема эксперимента по визуализации воздушных вихрей: 1 – свободный концентрированный вихрь; 2 – подстилающая поверхность; 3 – цифровая фотокамера; 4 – лазер; 5 – блок синхронизации; 6 – рама; 7 – фоновое полотно; 8 – стойка освещения; 9 – цифровая видеокамера; 10 – штатив Таблица 1 Тепловые режимы эксперимента
имели размер 6-10 мкм; при этом имелись крупные конгломераты частиц размером порядка 100 мкм. Приведены оценки инерционности частиц-трассеров, показывающие хорошую вовлекаемость последних в поток. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Разработка полимерного низкочастотного виброизолятора с квазинулевой жесткостью Проведено аналитическое исследование разрабатываемого виброизолятора, его изготовление и экспериментальное исследование. Частота... |  | Содержание Тюленёва А. Н., Осипенко М. А., Няшин Ю. И. экспериментальное и теоретическое исследование процесса иммобилизации микроорганизмов... |
| Исследовательская работа Автор работы Экспериментальное исследование, направленное на определение оптимального конструктора веб-сайта в школьных условиях | | Синергетическая модель концепта «жизнь»: экспериментальное исследование Работа выполнена на кафедре английского языка Тверского государственного университета |
| «фотодинамическая терапия в лечении перитонита» (Экспериментальное исследование) «Государственный научный центр лазерной медицины Федерального медико-биологического агентства России» | | Исследование тепловых процессов и разработка экспериментальных н... Научный Зав лаб. «Водородных энергетических технологий» оивт ран, д ф м н., профессор |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Гфн) и газообразования (гфг) ув, к которым приурочены периоды максимальной генерации жидких и газообразных ув, соответственно. Поэтому,... | | Экспериментальное исследование тонкодисперсного распыла перегретой воды Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии... |
| Методические указания для работы с программой «Открытая Физика 1» Цель работы Экспериментальное исследование интерференции световых волн от двух источников (щелей) | | Учебно-тематические планы лекционных занятий по дисциплине «Математика»... Экспериментальное исследование интерференции световых волн от двух источников (щелей) |
| Клинико-экспериментальное исследование 14. 00. 35 – детская хирургия... «Средняя общеобразовательная школа №19 с углубленным изучением отдельных предметов» | | Экспериментальное исследование теплопроводности, удельного электрического... Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Объединенный институт высоких температур ран |
| Исследование роли gstp1, mdr1 и mrp1 в предрасположенности к хроническим... Работа выполнена в гу научно-исследовательском институте молекулярной биологии и биофизики со рамн (Новосибирск, Россия) | | История развития методов мониторинга вихрей в океане План |
| Реферат по гражданской обороне на тему : “ Пути и способы повышения... Обеспечение устойчивости работы с/х предприятия “Дружба” в условиях радиоактивного заражения | | Темы для проверки знаний Требованиям энергетической безопасности в области Г2 Организация эксплуатации тепловых энергоустановок. Общие положения. Область распространения Правил технической эксплуатации тепловых... |
