Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Получены пионерские экспериментальные данные по трехмерным полям осредненной температуры и ее пульсаций в области взаимодействия турбулентного свободно-конвективного пограничного слоя воздуха с погруженным в него круговым цилиндром. Измеренные распределения локального числа Нуссельта свидетельствуют о существенной интенсификации теплоотдачи в протяженном по углу секторе у подножия кругового цилиндра, возмущающего исходно двумерный турбулентный свободно-конвективный пограничный слой на нагреваемой пластине. Согласно полученным опытным данным, увеличение локального коэффициент теплоотдачи достигает двух раз по сравнению с значением данного коэффициента в невозмущенном пограничном слое, а размер области существенно возмущенного течения составляет величину порядка диаметра цилиндра. Впервые получен представительный набор результатов трехмерных RANS-расчетов поля течения и локального теплообмена для задачи обтекания турбулентным свободно-конвективным пограничным слоем одиночных, возмущающих слой круговых цилиндров различной протяженности (высоты). Предсказано, что явления трехмерного отрыва в пограничном слое, натекающем на цилиндр, начинают развиваться на расстоянии порядка диаметра цилиндра от его передней кромки. В протяженном по углу секторе у подножия цилиндра пристенное трение и коэффициент теплоотдачи, рассчитываемое на основе RANS-подхода, в несколько раз превосходят значения для невозмущенного пограничного слоя (в отдельных местах превышение составляет 5-6 раз). Сопоставление этих данных c полученными экспериментальными результатами данными приводит к заключению о том, что примененный RANS подход, с «низкорейнольдсовой» двухпараметричесой моделью турбулентности, качественно правильно предсказывает факт роста локальной теплоотдачи у подножия цилиндра и удовлетворительно оценивает размеры области возмущенного течения. Вместе с тем, наблюдаются сильные количественные отличия, прежде всего в оценках степени роста локального коэффициента теплоотдачи: в сопоставимых по определяющим параметрам условиях RANS модель предсказывает рост до 6-ти раз, в то время как результаты измерений указывают только на двукратный рост. Представляется, что в случае свободно-конвективного течения для достижения более высокого качества численных предсказаний требуются более высокого уровня подходы к моделированию турбулентности, такие как DNS, метод LES или гибридные RANS/LES подходы. Методом прямого численного моделирования (DNS) впервые получены расчетные данные о ламинарно-турбулентном переходе в свободно-конвективном пограничном слое воздуха на вертикальной изотермической пластине для практически интересного случая, когда переход инициируется посредством введения в слой локальных макро-шероховатостей (препятствий). В качестве трехмерной макро-шероховатости рассмотрены удлиненные, поперечные к потоку параллелепипеды, расположенные с некоторым шагом по размаху пластины, а в качестве двумерной макро-шероховатости - бесконечный по размаху стержень того же поперечного (квадратного) сечения, что и сечение удлиненных параллелепипедов. Расчеты проведены для существенно различающихся значений динамического определяющего параметра, которым служит число Грасгофа, построенное по расстоянию вводимого ряда препятствий от нижней кромки пластины. В проведенных расчетах значение параметра этого лежало в интервале между точкой потери линейной устойчивости экспериментально определенной границей начала ламинарно-турбулентного перехода на гладкой пластине. Проведен спектральный анализ процесса развития трехмерных квази-периодических нестационарностей в ближнем следе за обтекаемыми слоем трехмерными макро-шероховатостями (а также за двумерным препятствием), и далее - процессов, связанных с возникновением хаотических составляющих движения, вплоть до самоподдерживающейся турбулентности. С применением современных средств визуализации обнаружено, что картина развития турбулентности в случае двумерного препятствия существенно отличается от присущей случаю трехмерных макро-шероховатостей. Получены поля основных статистических характеристик переходного и турбулентного пограничного слоя, включая: осредненную скорость, осредненную температуру, среднеквадратичное значение пульсаций температуры, шесть компонент тензора рейнольдсовых напряжений, компоненты вектора турбулентного потока тепла. Расчетные профили, полученные для участка с развитой турбулентностью, хорошо согласуются с имеющимися (ERCOFTAC Database) экспериментальными распределениями. Проведено сопоставление расчетных зависимостей локального осредненного числа Нуссельта от локального числа Грасгофа с экспериментальными данными. Установлено, что в случае расположения инициирующей переход макро-шероховатости близко к координате начала ламинарного перехода на гладкой пластине расчетные данные хорошо согласуются с опытными. При помещении макро-шероховатости существенно выше по потоку начало и конец расчетного участка ламинарно-турбулентного перехода (по числу Нуссельта) значительно сдвигаются в область более высоких значений локального числа Грасгофа.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Для области взаимодействия развитого турбулентного свободно-конвективного пограничного слоя с погруженным в него круговым адиабатическим цилиндром получен обширный объем новых экспериментальных данных, количественно характеризующих возмущенные препятствием поля осредненной по времени скорости, осредненной температуры, интенсивности пульсаций скорости и температуры, а также скоррелированность пульсаций скорости и температуры. Впервые на основе метода моделирования крупных вихрей (LES) выполнено вихреразрешающее моделирование течения в окрестности трехмерного препятствия (кругового цилиндра), возмущающего турбулентный свободно-конвективный пограничный слой, который развивается на нагретой вертикальной пластине в условиях, достаточно близких к условиям экспериментов, проводимых в рамках данного проекта. Получен обширный объем данных, в том числе: (1) видеоинформация о пространственно-временной эволюции течения в окрестности цилиндра, (2) статистическая информация о трехмерных полях средней скорости и температуры, составляющих тензора рейнольдсовых напряжений и турбулентного потока тепла, (3) картины низкочастотных изменений в форме подковообразных вихревых структур, сопровождающихся сильными изменениями в актуальной картине локальной теплоотдачи, (4) картины низкочастотных изменений в вихревой структуре ближнего следа, также сопровождающихся существенными вариациями в актуальной локальной теплоотдаче, (5) статистические данные о распределениях напряжения трения и теплового потока на пластине. Сопоставление результатов LES моделирования с данными проведенных экспериментов показало хорошую согласованность. Было установлено также, что для окрестности цилиндра вихреразрешающее моделирование предсказывает локальные пики в осредненном коэффициенте теплоотдаче того же уровня, что и вычисления, проведенные на основе RANS подхода. В частности, у подножия цилиндра наблюдаются пики, приблизительно в 5 раз превышающие значение данного коэффициента в невозмущенном пограничном слое, а размер области существенно возмущенного течения составляет величину порядка диаметра цилиндра. Область повышенной теплоотдачи простирается приблизительное на 10 калибров за препятствием. Методом прямого численного моделирования исследован контролируемый ламинарно-турбулентный переход в свободно-конвективном пограничном слое воздуха на вертикальной изотермической пластине для практически интересного случая, когда переход инициируется посредством введения в слой поперечного ряда трехмерных элементов макро-шероховатости (локальных препятствий). Выбранная для расчетов конфигурация и месторасположение препятствий по числу Грасгофа обеспечили получение численного решения, в котором отчетливо выделяются наиболее интересные стадии контролируемого ламинарно-турбулентного перехода, а именно: формирование собственно инициирующих переход квази-стационарных трехмерных возмущений, возникающих в ближнем следе каждого элемента шероховатости; первоначальное и существенное затухание возмущений на весьма протяженном участке; усиление «собственных» нелинейных мод неустойчивости; быстрый нелинейный рост пульсаций потока и, наконец, выход на участок самоподдерживающейся турбулентности. При этом последние две стадии по значениям основного определяющего параметра - локального числа Грасгофа, - очень хорошо соответствуют экспериментальным данным, полученным в условиях «естественного» перехода на гладкой пластине. Для участка развитого турбулентного течения получены поля основных статистических характеристик пограничного слоя, включая: осредненную скорость, осредненную температуру, среднеквадратичное значение пульсаций температуры, шесть компонент тензора рейнольдсовых напряжений, компоненты вектора турбулентного потока тепла. Расчетные профили, полученные для участка с развитой турбулентностью, хорошо согласуются с имеющимися (ERCOFTAC Database) экспериментальными распределениями.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Впервые проведены измерения полей скорости и температуры, а также локальной теплоотдачи в области триггерного развития турбулентных образований вниз по потоку от поперечного ряда трехмерных препятствий различной формы, возмущающих исходно двумерный ламинарный свободноконвективный пограничный слой. Установлено, что при «естественном» уровне внешних возмущений, присутствующих в подтекающем к пластине атмосферном (комнатном) воздухе, удается триггерно возбудить переход к турбулентности, располагая препятствия в том месте, где традиционно определяемое (по расстоянию от нижней кромки пластины) число Грасгофа примерно в два раза меньше, чем критическое значение 10**8, оцениваемое по результатам линейной теории устойчивости. Результаты термоанемометрических измерений показали, в частности, кардинально иной характер нарастания максимальной скорости в возмущаемом препятствиями пограничном слое по сравнению со случаем отсутствия препятствий. В результате триггерного возбуждения турбулентности достигнута существенная интенсификация теплообмена в интервале числа Грасгофа (примерно) от 0.5x10**8 до 0.5x10**9. Для области взаимодействия развитого турбулентного свободно-конвективного пограничного слоя с погруженным в него теплопроводным цилиндром получен обширный объем новых экспериментальных данных, количественно характеризующих возмущенные препятствием поля осредненной по времени скорости, осредненной температуры, интенсивности пульсаций скорости и температуры, а также скоррелированность пульсаций скорости и температуры. Впервые метод прямого численного моделирования применен для численного анализа течения в окрестности трехмерного препятствия (кругового цилиндра, адиабатического или изотермического), возмущающего турбулентный свободно-конвективный пограничный слой, который развивается на нагретой вертикальной пластине в условиях, достаточно близких к условиям экспериментов, проводимых в рамках данного проекта. Полученные по методу DNS решения содержат участок ламинарного слоя, развивающегося от передней кромки пластины, участок ламинарно-турбулентного перехода, участок развития статистически двумерного турбулентного слоя перед его натеканием на препятствие и область турбулентного течения, возмущенного препятствием. Инициализация процессов ламинарно-турбулентного перехода, как и в ранее разработанной методике для проведения DNS расчетов, достигалась посредством введения в слой локальных макро-шероховатостей в виде периодического ряда прямоугольных выступов. Для участка статистически двумерного развитого турбулентного слоя, натекающего на препятствие, получены адекватные профили основных статистических характеристик пограничного слоя, включая: осредненную скорость, осредненную температуру, среднеквадратичное значение пульсаций температуры, шесть компонент тензора рейнольдсовых напряжений, компоненты вектора турбулентного потока тепла. Расчетные профили, полученные для участка с развитой турбулентностью, хорошо согласуются с имеющимися (ERCOFTAC Database) экспериментальными распределениями. Получен обширный объем данных, в том числе: (1) видеоинформация о пространственно-временной эволюции течения в окрестности цилиндра, (2) статистическая информация о трехмерных полях средней скорости и температуры, составляющих тензора рейнольдсовых напряжений и турбулентного потока тепла, (3) картины низкочастотных изменений в форме подковообразных вихревых структур, сопровождающихся сильными изменениями в актуальной картине локальной теплоотдачи, (4) картины низкочастотных изменений в вихревой структуре ближнего следа, также сопровождающихся существенными вариациями в актуальной локальной теплоотдаче, (5) статистические данные о распределениях напряжения трения и теплового потока на пластине. Сопоставление результатов прямого численного моделирования с данными проведенных экспериментов показало хорошую согласованность. Было установлено также, что для окрестности цилиндра метод DNS предсказывает локальные пики в осредненном коэффициенте теплоотдаче меньшего уровня по сравнению с проведенными ранее вычислениями на основе RANS подхода, а также более короткую область восстановлении пограничного слоя в следе за цилиндром. Однако общая структура возмущенного препятствием течения, предсказываемая на основе RANS подхода, согласуется с картиной, полученной по методу прямого численного моделирования.