Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствии с заявленным планом работ в течение отчетного периода выполнения проекта был проведен цикл экспериментов по изучению условий формирования крупномасштабных одинарных и двойных спиральных вихревых структур в гидравлической камере с тангенциальным типом закрутки потока в широком диапазоне определяющих параметров. Параметр крутки варьировался в экспериментах в диапазоне S = 0 - 13.2, число Re =6000-54000. Было установлено, что двойная вихревая спираль формируется в потоке начиная c S = 4.4, при увеличении закрутки потока больше 10 двойная вихревая спираль вырождается и в потоке начинает доминировать мода m=1, при дальнейшем увеличении закрутки m=1 становится устойчивой. Для получения количественных характеристик течения был проведен цикл PIV измерений в вертикальном и горизонтальных сечениях с использованием автоматизированного координатного устройства, на котором закреплялась линза, формирующая лазерный нож. PIV измерения проводились в диапазоне высот Z= 350-550 с шагом 20 мм. На основе мгновенных полей скорости, полученных в PIV измерениях, были рассчитаны средние по времени поля скоростей и построены радиальные и тангенциальные профили скоростей в каждом измерительном сечении. Для изучения когерентной составляющей вихревого течения в верхней области рабочего участка были установлены 4 пьезоэлектрических датчика давления, сигнал с которых посредством 4-х канального АЦП записывался на ПК одновременно с сигналом PIV системы. Именно одновременная реализация сигнала давления после соответствующей обработки позволила из набора мгновенных PIV полей скорости во всех измерительных сечениях отобрать поля, соответствующие одной пространственной фазе вихревой спирали. Варьируя расход жидкости в контуре и записывая реализацию давления с пьезоэлектрических датчиков, было установлено, что частота прецессии двойной вихревой спирали растет линейно с расходом, а число Струхаля автомодельно по Рейнольдсу начиная с Re = 15000. Было проведено восстановление трехмерной структуры спирального вихря на основе вихреопределяющих параметров. В качестве критериев визуализации вихря были выбраны осевая компонента поля завихренности, Q-критерий, La2 – критерий, а также Г-критерий. Координаты центра вихревого ядра определялись как два основных максимума интерполяционной функции, построенной на основе Г-критерия визуализации вихря. Цилиндрическую винтовую линию в прямоугольных координатах можно задать как x(fi)=R*cos(fi), y(fi) = R*sin(fi), z(fi)=b*fi. В первом приближении, пренебрегая коничностью винтовой линии, связанной с незначительным увеличением среднего радиуса прецессии при приближении к области расширения за цилиндрической секцией, были рассчитаны R = 0.030м, b =0.1. Основываясь на этих параметрах, можно вычислить такие величины как шаг винтовой линии h = 2*pi*b = 0.2*pi, кривизну c = R/(R^2+ b^2) = 2.75 и кручение s = 9.17. Также было рассмотрено влияние объёмного газосодержания β% на структуру течения. Обнаружено, что при добавлении небольшого количества воздуха ~ 1.5% объёмного расхода двойной вихревой жгут вырождается и формируется одиночная, практически осесимметричная вихревая нить, которая незначительно прецессирует вокруг центральной оси. При меньшем добавлении воздуха, наблюдается обратный переход от одиночной спирали к двойной. Как только накапливается достаточное количество газовой фазы, формируется одиночный вихрь, однако, в связи с тем, что расход воздуха недостаточен, чтобы поддерживать стабильный режим, вихрь распадается на два. При большем газосодержании одиночный вихрь существует сколь угодно долго. На основе экспериментальных данных, полученных на вертикальном вихревом гидродинамическом стенде, были выполнены отработка и тестирование расчетных алгоритмов. Для численного моделирования вихревых явлений была построена расчетная модель, отображающая геометрию рабочей части экспериментального стенда, включая устройство для создания закрутки. Были рассмотрены модели турбулентности различного уровня в нестационарной постановке. Для моделирования вращения ротора были рассмотрены два подхода: метод «замороженного колеса» и метод «скользящих сеток». Для выбора и валидации расчетной модели были проведены расчеты в различных постановках для режима течения, в котором наблюдается перезамыкания вихря. Для этого режима в экспериментах были выполнены подробные измерения поля скорости и пульсаций скорости в различных сечениях диффузорного участка стенда. Среди рассмотренных моделей турбулентности, модель вихревой вязкости хуже воспроизвела средние профили скорости закрученного течения в диффузорной части стенда. Модели LES и RSM показывают гораздо более близкие к эксперименту результаты, воспроизводя и твердотельное вращение в центре канала и возвратное течение вдоль его оси. Также важную роль на расчет данного закрученного течения оказал учет ротор-статорного взаимодействия с использованием скользящих сеток. Помимо получения средних и пульсационных характеристик, в численном моделировании также воспроизводится и неустойчивость прецессирующего вихря в этом режиме, приводящая к его перезамыканию с образованием вихревого кольца. Для тангенциального вихревого реактора были проведены численные исследования влияния интенсивности закрутки потока на режимы закрученного течения. В этой модели через 12 сопел прямоугольного сечения в цилиндрическую камеру подавался равномерно распределенный поток воды, а отводился через верхний бак прямоугольного сечения с помощью четырех круглых патрубков при условии постоянного и одинакового давления на выходах из патрубков. Расчеты были выполнены с помощью модели турбулентности LES с подсеточной моделью WALE на сетке, содержащей более 11 млн. преимущественно гексаэдральных ячеек. Результаты расчетов при различных расходах в безразмерном виде близки друг к другу и показали автомодельность течения по числу Рейнольдса. Различные параметры закрутки потока получались путем перекрытия части сопел (открыты 1, 2 или 3 ряда сопел) при неизменном расходе жидкости. В расчетных условиях устойчивая двухспиральная вихревая структура формируется при параметре закрутки S = 9,9. При параметрах закрутки S = 6,6 и S = 19,8 двухспиральная вихревая структура наблюдается, но не остается стабильной, что говорит о близости границ зоны существования данного режима течения. Различия в структуре потока сказываются на пульсациях давления. В режиме S = 9,9 можно выделить доминантную частоту пульсаций давления f = 3.8 Гц. Частота пульсаций давления прямо пропорциональна параметру закрутки. В работе было также изучено влияние параметра крутки на турбулентный закрученный поток в модели горелочного устройства с радиальным завихрителем в условиях изотермического потока при значении Re=16500 в диапазоне параметра крутки S=0.5-1.3. Впервые для радиального завихрителя показано, что число Струхаля (безразмерная частота прецессии вихревого ядра) имеет минимум в области S=0.8 в диапазоне от 0.5<S<1.3 для изотермического и реагирующего случаев. Показано, что условия ограниченности течения могут существенно менять частотные характеристики ПВЯ. С помощью модельных представлений теории винтовых вихрей показано, что основной механизм, ответственный за формирование минимума частоты ПВЯ – это влияние замедления скорости переноса винтовой вихревой структуры в аксиальном направлении. Дальнейшие исследования будут дополнены в части определения пространственной формы прецессирующей вихревой структуры с помощью вихреразрешаемого PIV, что важно для понимания эволюции вихревой структуры при изменении закрутки. По результатам проведенных исследований было подготовлено 6 публикаций в изданиях, индексируемых международными базами данных Scopus и Web of Science Core Collection, включая 4 публикации со степенью завершенности «опубликовано» и «принято в печать», что превышает запланированный показатель. Исполнителями проекта было сделано 4 доклада на международных и всероссийских конференциях. В рамках проекта были подготовлены материалы для оформления заявки патента на изобретение. Таким образом в отчетный период были проведены все запланированные исследования, получены новые результаты, полностью соответствующие тематике проекта, направленного на решение фундаментальных проблем, связанных со сложной динамикой концентрированных вихревых структур. Проведенные исследования первого года создают задел для дальнейшего развития этого направления и получения новых научных результатов на последующих этапах проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Согласно плану исследований в течение 2022 г. был осуществлен запуск высокоскоростной PIV системы в составе: двухканальный лазерный модуль Vlite-hi-100, частота повторения импульсов 100Гц, энергия в импульсе до 100 мДж, длительность импульса до 15 нс, длина волны 532 нм; манипулятор (оптический световод) из 7 подвижных сегментов для доставки лазерного излучения с потерями на излучение не более 10%; скоростная монохромная камера JAI SP-5000M-CXP2 c частотой съёмки 211Гц при максимальном разрешении 2560 x 2048 (5Мп), размер сенсора 1”, размер пикселя 5 мкм; объектив Nikon SIGMA 50мм f/2.8D; синхронизирующий процессор Полис (поддерживает работу в стерео-PIV режиме). На основе обработанных экспериментальных PIV данных были выделены наиболее интересные режимы течения, в которых наблюдается формирование устойчивых двойных и одинарных крупномасштабных вихревых структур. Для каждого исследуемого режима течения были обработаны и вычислены 5000 мгновенных двухкомпонентных полей скорости. Для каждого мгновенного поля скорости вычислялось поле завихренности (Wz) и Гамма-функции (Г2), предложенной в работе (Graftieaux, 2001) в качестве одного из вихревых критериев. Для выделения когерентной составляющей вихревого течения был реализован метод Spectral Proper Orthogonal Decomposition (SPOD), позволивший разделить вихревые явления, происходящие на разных частотах и энергиях. Показано, что в базовом режиме течения основная мода, соответствующая двойному вихрю, имеет наибольшую энергию >30% TKE, вклад каждой отдельной оставшейся моды не превышает 2%. Изучена динамика перестроения поля завихренности при переходе между одинарной и двойной вихревыми модами. Абсолютный максимум модуля завихренности в каждом из вихревых ядер двойной спирали Wz = 1.83 [1/c] в свою очередь максимальное значение завихренности для одиночного вихря составляет Wz = 2.15 [1/c]. Причём размер вихревого ядра для одиночного вихря становится меньше, как и его отклонение от оси симметрии. К одним из основных результатов работы можно отнести составление режимной карты в координатах число Рейнольдса (Re) и параметр крутки (S). Область интереса, соответствующая устойчивой форме двойного вихря, начинается с Re = 5000 и лежит в диапазоне S = 1.75-2.0, при меньших Re двойная спираль вырождается в одиночный вихрь, а при S больших 2 наблюдается режим чередования двойной и одинарной вихревых структур. Стоит отметить, что при сильной закрутке потока способ её создания начинает оказывать большее влияние на режим вихревого течения чем сама величина этого параметра. Для моделирования вихревого течения в цилиндрической тангенциальной камере была построена и уточнена по результатам экспериментальных данных расчетная модель течения. Расчет турбулентного течения проводился методом LES, решение уравнений движения было основано на методе контрольного объема и приближении несжимаемой жидкости. Было исследовано влияние расчетной области и сеточной детализации. Расчеты для режима закрутки S = 9.9 показали, что в течении присутствует хорошо выраженная и устойчивая двухспиральная вихревая структура. Частота пульсаций давлений в этом режиме соответствует числу Струхаля St = 3.7 и хорошо согласуется с экспериментом. Кроме того, в спектре пульсаций давления присутствует ещё и f = 0,92 Гц, которая согласуется со скоростью вращения двухспиральной вихревой структуры, полученной при отслеживании эволюции течения со временем показывает. В то же время, эта структура не остается полностью симметричной, а постоянно меняется. При этом меняется расстояние между вихрями, между ними перераспределяется закрутка вплоть до приближения к одновихревой структуре в отдельные моменты времени. Для моделирования двухфазного течения использовался континуальный (эйлеров) подход, в котором смесь представляется в виде квазигомогенной среды, свойства которой зависят от концентрации составляющих её фаз. Методические расчеты показали ограниченность модели смеси для описания многофазного течения в условиях данной тангенциальной вихревой камеры. По это причине для расчета многофазного течения была рассмотрена полная Эйлерова модель, которая позволяет точнее определять скорость второй фазы относительно несущей. Использование полной Эйлеровой модели показало, что пузырьки воздуха хорошо отслеживают положение веток двухспиральной вихревой структуры, как и наблюдается в эксперименте. Расчеты течения в тангенциальной камере при числе закрутки S = 6.6 показали формирование устойчивого одиночного прецессирующего вихря. Частотный анализ показал, что переход от двухспиральной структуры в однофазном режиме к односпиральной в двухфазном режиме приводит к росту скорости прецессии. При числе закрутки S = 9.9 в тангенциальной камере двухспиральная вихревая структура постепенно вырождается в одиночный вихрь, причем это происходит постепенно по мере сближения и слияния веток двухспиральной структуры. Для исследования влияния выходных граничных условий на закрученное течение были построены как симметричная модель проточного тракта гидротурбины, так и модель с добавлением отсасывающей трубы. Исходная симметричная модель была основана на геометрии вертикального гидродинамического стенда ИТ СО РАН, в котором закрутка потока создается неподвижным и вращающимся завихрителями. Для исследования влияния несимметричности выходных граничных условий на закрученное течение в коническом диффузоре прямой канал за ним был заменен отсасывающей трубой гидротурбины проекта Francis-99. Частота вращения ротора задавала различные режимы течения: режим со слабой закруткой, режим с сильной закруткой, в котором реализуется прецессирующий вихревой жгут (спорадически переходящий в двойную спираль), и режим, в котором реализуется перезамыкание прецессирующего вихревого ядра. Результаты расчетов показывают большое сходство течений в симметричной и несимметричной модели. В обоих случаях за ротором формируется закрученное течение с небольшой зоной рециркуляции на оси конуса диффузора. Таким образом, проведенные численные исследования показывают, что добавление асимметричного выходного канала не меняет режим вихревого течения в широком диапазоне закруток, а поле скорости остается тем же самым. Продолжены работы по исследованию турбулентного закрученного потока в модели горелочного устройства с радиальным завихрителем. Проведенные исследования с использованием PIV и четырех акустических датчиков позволили визуализировать пространственную структуру ПВЯ при изотермических условиях для двух случаев закрутки S = 0.6 и 1.3 в модели горелочного устройства радиального типа. В условиях реагирующего потока показано, что при увеличении крутки факел становился более компактным: изменяет свою форму и длину (Гореликов и др., ФГВ 2022). При увеличении параметра крутки выше критического S>0.6, формируется ПВЯ. С помощью восстановления трехмерной структуры ПВЯ с использованием аппроксимации поля течения двумя POD-модами было показано, что при росте закрутки увеличиваются радиус прецессии и шаг винтовой структуры ПВЯ в модели горелочного устройства (Litvinov et al., 2022; Гореликов и др., ТиА 2022). Полученные результаты будут в дальнейшем использоваться для задачи управления ПВЯ в горелочном устройстве. Таким образом, за отчетный период были проведены все запланированные исследования, получены новые результаты, полностью соответствующие тематике проекта. По результатам исследований были опубликованы 5 статей в ведущих российских и международных изданиях, индексируемых в базах данных Scopus/WoS, что превышает запланированные показатели. Также по результатам исследований исполнителями проекта было сделано 6 докладов на всероссийских и международных конференциях. Потенциал практического использования результатов исследований подтверждается полученным патентом на изобретение. Следующий этап выполнения проекта будет направлен, наряду с проведением запланированных исследований, на публикацию статей в высокорейтинговых изданиях, а также на поиск возможностей практического приложения полученных результатов.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В течение отчетного периода выполнения проекта был завершен значительный по своему объёму цикл экспериментальных исследований на модели вихревого реактора включающий визуализацию и высокоскоростные PIV измерения в различных эксплуатационных режимах. Полученные данные, в том числе и на предыдущих этапах выполнения проекта позволили сформулировать ряд требований, предъявляемых к новой, более совершенной геометрии вихревого реактора. Основные конструктивные изменения претерпели система создания закрутки потока и форма выходных сопел из цилиндрической области вихревого реактора. Вместо поворотной системы, которая в ручном режиме позволяла вращать отдельные сопла относительно оси и изменять закрутку потока были установлены две независимые ветви с отдельным подающим насосом на каждую линию, отвечающие за радиальную и тангенциальную подачу через 4 осесимметричных сопла на каждую. Автоматизированное управление посредством обратной связи с расходомерами позволяет изменять соотношение между расходами (с точностью до второго знака в показаниях расходомера) и как результат варьировать закрутку задавая требуемый уровень. Проведенный SPOD анализ полей скорости, полученных в различных режимах по интенсивности закрутки позволил оценить вклад от крупномасштабных двуспиральных вихревых структуру в турбулентную кинетическую энергию потока. Было показано, что вклад от первой пары сопряженных мод является доминирующим. Также полученные данные по распределению осевой и тангенциальной компонент скорости также использовались для апробации аналитической модели. Для описания течения была обобщена модель винтового вихря с ядром конечного размера на случай композиции пары противофазных левовинтовых и центрального колоннообразного вихрей. Было показано, что аналитическая модель обеспечивает хорошее соответствие распределений окружной и осевой компонент скорости измеренным зависимостям и позволяет обобщить класс закручены течений с винтовой симметрией в том числе при наличии многоспиральных вихревых структур. Для численного моделирования вихревого течения в цилиндрической тангенциальной камере была построена модель турбулентного течения несжимаемой жидкости, основанная на методе контрольного объема. Расчеты показали хорошее соответствие по режимной карте течения и по профилям средней скорости в сечениях в ядре потока. Расчеты показывают появление двухспиральной вихревой структуры, причем при увеличении числа закрутки двухспиральная структура становится доминирующей. Как показывают нестационарные расчеты, в процессе вращения структуры меняется расстояние между вихрями, между ними перераспределяется закрутка. Для моделирования движения дисперсной фазы были протестированы два подхода: Эйлера и Лагранжа. Получено, что расчет с помощью полной Эйлеровой модели хорошо воспроизводит концентрацию пузырьков воздуха в центрах вихрей. Расчеты с различными размерами пузырьков воздуха показывают, что при малом диаметре пузырьков (0,02 мм) газовая фаза распределена по всему объему тангенциальной камеры и не скапливается в области пониженного давления, а при диаметре пузырьков 0,2 и 2 мм уже происходит концентрация газовой фазы в центре ветвей двухспиральной вихревой структуры. Увеличение расхода воздуха оказывает небольшое влияние на среднее течение. При этом пульсации давления заметно меняются при впуске воздуха. При расходе 4% доминантной является частота 2,4 Гц, которая получается удвоением частоты 1,2 Гц, которая примерно соответствует частоте вращения двухспиральной вихревой структуры целиком. Наиболее интересным эффектом от добавления воздуха является постепенная перестройка структуры течения. В процессе длительного нестационарного расчета изначальная двухспиральная вихревая структура начинает меняться. Внизу тангенциальной камеры ветви структуры постепенно сливаются в один вихрь, а в верхней части камеры одна из ветвей увеличивает интенсивность закрутки (и, как следствие, концентрацию воздуха), а вторая – наоборот – ослабляет. Таким образом, постепенно происходит переход от двухспиральной структуры к одиночному вихрю по мере сближения и слияния ветвей спирали, происходящее снизу-вверх. Моделирование процессов перемешивания и времени нахождения частиц в условиях закрученного течения тангенциальной камеры проводилось на основе подхода Лагранжа. Такой подход позволяет наглядно оценивать параметры траекторий и времени движения частиц. Расчеты движения частиц в условиях закрученного течения в тангенциальной камере показывают значительную разнице между движением безмассовых и тяжелых частиц. Проведенные расчеты показывают, что время пребывания безмассовых частиц заметно уменьшается для максимального числа закрутки S = 17.34. Это можно объяснить тем, что высокая закрутка приводит к увеличению объема рециркуляционных зон в тангенциальной камере. В результате это приводит к уменьшению среднего времени прохождения объема камеры частицами жидкости и безмассовыми твердыми частицами. В основном продвижение частиц происходит на периферии камеры, но безмассовые частички также оказываются и в других частях тангенциальной камеры, в том числе и в нижней её части вблизи глухого торца. Большее время пребывание характерно для тех частиц, которые двигаются ближе к центру камеры. Время пребывания тяжелых частиц в 1,5 – 2 раза превышает аналогичное время пребывания безмассовых частиц. Эксперименты с использованием модельного горелочного устройства радиального типа включали измерение распределений скоростей в изотермическом и реагирующем потоке (при горении предварительно перемешанной пропано-воздушной смеси) с помощью метода трассерной визуализации Стерео-PIV. Для анализа структуры закрученного факела и зоны горения была применена техника регистрации хемилюминесценции радикалов с помощью интенсифицированной CCD камеры. На основе отработанной техники активного управления пламенем с помощью акустических актуаторов для внесения внешних возмущений были изучено влияние периодического акустического воздействия с различными азимутальными модами на процесс горения и амплитудно-частотные характеристики ПВЯ. При помощи разложения на азимутальные моды показано, что акустическое возмущение усиливает пульсации давления в диапазоне частоты ПВЯ. При совпадении частоты акустического возмущения и частоты ПВЯ происходит изменения формы винтового вихря. Таким образом, за отчетный период были проведены все запланированные исследования, получены новые результаты, полностью соответствующие тематике проекта. По результатам исследований были опубликованы 3 статьи в ведущих российских и международных изданиях, индексируемых в базах данных Scopus/WoS, включая статью первого квартиля (всего за 3 года выполнения проекта опубликовано 12 статей, индексируемых в базах данных Scopus/WoS, или с учетом квартилей этот показатель равен 17, что существенно превышает запланированное количество). Также по результатам исследований исполнителями проекта было сделано 5 докладов на всероссийских конференциях. Потенциал практического использования полученных результатов подтверждается 3 подготовленными заявками для получения патентов на изобретение.