Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На основе анализа литературных данных о струйных течениях в ограниченном пространстве выбраны две модельные постановки, для которых в экспериментах фиксировались статистически установившиеся низкочастотные автоколебания. Первая постановка воспроизводит условия эксперимента Mataoui et al. (2001), в котором исследовалось истечение воздушной струи из плоской щели в полость, одна из границ которой открыта. Вторая постановка соответствует экспериментальной работе Lawson et al. (2005), где рассматривалась подача круглой турбулентной струи в прямоугольную полость с отношением толщины к ширине 0.16. Для обеих задач доступны хорошо документированные экспериментальные данные. Задача в постановке, соответствующей эксперименту Mataoui et al. (2001), решалась как на основе модели несжимаемой жидкости с постоянными физическими свойствами, так и в постановке, учитывающей эффекты плавучести в приближении Буссинеска. На срезе приточного сопла задавался однородный профиль скорости. На стенках полости задавалось условие прилипания. На границах примыкающей к полости внешней области (при ее наличии, в случае использования расширенной расчетной области) или непосредственно на открытой стенке полости задавались мягкие граничные условия (постоянство давления). В эксперименте обеспечивались изотермические условия. В настоящих расчетах наряду с изотермической постановкой ставилась и неизотермическая задача, в которой моделировалась подача относительно холодной струи в полость с нагретыми стенками, поддерживаемыми при постоянной температуре. Значение числа Рейнольдса, построенного по входной скорости и высоте сопла, составило Re = 4000, число Прандтля равно Pr = 0.7. Для задач с теплообменом число Грасгофа, построенное по высоте полости и разности входной температуры и температуры стенки, находилось в диапазоне 10^7-10^8, что свидетельствует о существенной роли свободной конвекции (значения числа Ричардсона находились в диапазоне 0.75 – 4.5). Отработана методика 2D/3D RANS/URANS расчетов струйного течения. Показано, что расчеты хорошо воспроизводят период и амплитуду пульсаций даже при использовании двумерной постановки. Показано, что в рассматриваемом течении 3D эффекты выражены слабо, а использование 2D-постановки оправдано, по крайней мере, на этапе предварительной оценки поля течения. Проведено методическое исследование влияния постановки выходных граничных условий на открытой стенке полости и показано, что только при включении в расчетную область внешней подобласти (примыкающей к открытой границе полости) расчетная картина течения соответствует экспериментальной. Получены оценки степени влияния полуэмпирической модели турбулентности на получаемое решение. Отработана методика применения вихреразрешающего метода моделирования крупных вихрей (LES) в характерном для вентиляционных течений умеренном диапазоне чисел Рейнольдса при развитии в воздушном потоке низкочастотных автоколебаний. показана возможность проведения методических расчетов распространения плоской струи в автоколебательном режиме в квазидвумерной (квази-2D) постановке с условием периодичности в поперечном направлении. Показано, что для определенного положения сопла данные LES и 3D URANS моделирования предсказывают нестационарный режим течения в полости с периодическими низкочастотными колебаниями струи. Частота и амплитуда колебаний, полученные в LES и URANS (с моделью k-omega SST) расчетах с изотермическими условиями, согласуются между собой и с данными эксперимента. Выявлено, что в рассмотренном диапазоне чисел Грасгофа эффекты свободной конвекции оказывают влияние на реализацию нестационарных режимов течения, модифицируя крупномасштабные вихревые структуры; в то же время границы режимов течения при переходе к неизотермической задаче существенно не меняются. Показано, что в случае неизотермических условий (подача относительно холодной струи в полость с нагретыми стенками) колебания сохраняют свой характер, однако эффекты плавучести меняют количественные характеристики. Частота колебаний, полученная в неизотермическом варианте, отличается от полученной в изотермическом варианте, отличие составляет до 10%, при этом амплитуда колебаний не меняется. Выявлено, что смена режима течения оказывает существенное влияние на теплоотдачу от поверхности стенок полости. Получена новая практически значимая информация о возможном вкладе низкочастотных автоколебаний в характеристики теплового комфорта и об особенностях оценки теплового комфорта при развитии в потоке выраженных низкочастотных автоколебаний. Получены количественные данные о влиянии выборки, используемой для осреднения физических величин, на оценку локальных и интегральных характеристик теплового комфорта. Задача в постановке, соответствующей эксперименту Lawson N.J. et al. (2005), решалась на основе модели несжимаемой жидкости с постоянными физическими свойствами. Число Рейнольдса, построенное по диаметру подводящей трубы и средней скорости, составило 54000. Воспроизведен регистрировавшийся ранее в экспериментах нестационарный режим распространения основной струи в отсутствие регулирования. Показана перестройка структуры течения и поля давления при подаче регулирующей струи со стороны узкой боковой стенки (при отношении расходов основной и регулирующей струй равном 0.333), оказывающая существенное влияние на автоколебания. На основе полученных данных проведены предварительные оценки возможностей управления струйным потоком за счет впрыска массы сравнительно низкорасходной регулирующей струи в область перед выходным отверстием затопленного сопла, подающего основную струю, перпендикулярно его оси.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе второго года работы над проектом была продолжена отработка методик трехмерного нестационарного численного моделирования автоколебательных режимов распространения турбулентных струй в вентилируемых помещениях с привлечением двух модельных постановок, для которых в экспериментах фиксировались статистически установившиеся низкочастотные автоколебания. Первая постановка воспроизводила условия эксперимента Mataoui et al. (2001), в котором исследовалось истечение воздушной струи из плоской щели в полость, одна из границ которой открыта. Вторая постановка соответствовала экспериментальной работе Lawson et al. (2005), где рассматривалась подача круглой турбулентной струи в прямоугольную полость с отношением толщины к ширине 0.16. Для эксперимента Mataoui et al. (2001) была разработана методика количественной характеристики автоколебаний на основе координаты точки, в которой коэффициент трения в момент времени, соответствующий максимальному отклонению струи, на одной из горизонтальных стенок полости принимает минимальное значение. Показано, что положения точки максимального отклонения струи в 3D URANS и LES расчетах полностью совпадают. Для эксперимента Lawson et al. (2005) сопоставление осредненных во времени полей скорости продемонстрировало качественное и количественное согласие результатов расчетов по методу LES с экспериментальными данными, в то время как URANS расчеты заметно завышают значения скорости вдоль оси струи. В то же время показано, что подход URANS обеспечивает достаточно высокую точность при предсказании частоты в автоколебательном режиме течения и координаты точки присоединения струи в квазистационарном режиме. Для задачи о подаче круглой струи выполнена оценка возможностей управления автоколебательным струйным потоком за счет впрыска низкорасходной управляющей струи в область распространения основной струи перпендикулярно ее оси. Показано, что подача боковой струи в область распространения основной струи сопровождается перестройкой структуры течения, что при некотором значении отношения импульсов управляющей и основной струи b приводит к подавлению автоколебаний и переходу к квазистационарному режиму течения. Для трех различных положений отверстия для подачи управляющей струи построены карты режимов течения в зависимости от значений b, изменявшихся в диапазоне от нуля до 42%. Для всех рассмотренных вариантов получены оценки координат точки пересечения касательной к средней линии тока с боковой границей полости и точки, в которой осредненный во времени коэффициент трения на боковой границе полости принимает минимальное значение, что позволяет количественно охарактеризовать структуру течения в квазистационарном режиме. На примере анализа распределений интенсивности сквозняка, рассчитываемой по полученным в трехмерном нестационарном расчете распределениям скорости, интенсивности турбулентности (или ее кинетической энергии) и температуры (референсному значению в случае решения изотермической задачи), продемонстрирована однородность осредненных во времени полей величины DR при наличии низкочастотных автоколебаний. Тем не менее, анализ моментальных распределений DR, в том числе полученных с привлечением вихреразрешающего подхода, не позволяет сделать однозначный вывод о повышении теплового комфорта при развитии низкочастотных колебаний. Очевидно, в этом случае осреднение не позволяет учесть периодическое повышение величины DR в области колеблющейся струи. Выполнены исследования условий возникновения автоколебаний и их влияния на тепловой комфорт для двух вентилируемых помещений, приближенных к реальным по геометрии и способу подачи струй. Кратность воздухообмена при этом задавалась высокой (более десяти) и соответствовала помещениям с повышенными требованиями к характеристикам воздухораспределения. Числа Рейнольдса, построенные по характерной скорости воздуха в приточном отверстии и размеру приточного отверстия, в зависимости от расхода воздуха находятся в диапазоне (1…4)x10^4. В ходе серии 3D URANS расчетов вентиляции малого помещения площадью 3 м^2, типичного для санузла или грузового лифта, варьировались расход воздуха (кратность воздухообмена), влияние способа подачи приточного воздуха (плоская щель или локализованное входное отверстие прямоугольной формы), угол подачи приточного воздуха. Была исследована возможность управления колеблющейся струей за счет подачи управляющей струи, по аналогии с рассмотренной в рамках проекта модельной задачи Lawson et al. (2005). В качестве основной струи при этом была принята струя, подаваемая из припотолочного отверстия под углом в 45 градусов; управляющая струя подавалась из отверстия в окрестности пола также под углом в 45 градусов, то есть по нормали к основной струе. Выявлено, что при подаче второй струи по нормали к основной возможно существенно менять амплитуду пульсаций, которая принимает минимальные значения при отношении расходов 0.2, однако подавить их полностью для рассматриваемой конфигурации не удается. В ходе серии 3D URANS расчетов варьировался способ подачи воздуха в вентилируемое офисное помещение. В первом варианте подача воздуха осуществлялась через припотолочное щелевое отверстие, размещенное вдоль всей протяженности боковой стенки, по аналогии с модельной задачей Mataoui et al. (2001). Во втором варианте воздух подавался через два отверстия прямоугольной формы, размещенные на боковой стенке в окрестности потолка на той же высоте, что и щелевое отверстие. В третьем варианте подача воздуха осуществлядась через два потолочных приточно-вытяжных диффузора. Для всех вариантов подачи варьировался расход воздуха (кратность воздухообмена) и угол подачи приточного воздуха. Выявлено, что за счет изменения угла подачи приточного воздуха можно полностью подавить автоколебания при подаче через стандартный приточно-вытяжной диффузор (струи присоединяются к потолку за счет эффекта Коанда) и через щелевое отверстие (струя присоединяется к боковой стенке или к потолку, в зависимости от угла подачи). При подаче воздуха через два отверстия прямоугольной формы, размещенные на боковой стенке, автоколебания сохраняются во всем диапазоне угла подачи, но при уменьшении угла увеличивается период колебаний (число Струхаля уменьшается более, чем на порядок), что способствует улучшению теплового комфорта. Показано, что за счет изменения расхода можно воздействовать на автоколебания при подаче воздуха через щелевое отверстие: показано, что во всем диапазоне углов подачи, вплоть до 45 градусов, постепенно снижая расход, можно найти такое его значение, при котором в течении, формируемом плоской струей, автоколебания развиваться не будут. В то же время именно при щелевой подаче воздуха в случае развития автоколебаний создаются самые неблагоприятные условия с точки зрения теплового комфорта с высокими значениями интенсивности сквозняка (более 20%) во всем объеме вентилируемого помещения. Таким образом, сценарием с щелевой подачей воздуха следует пользоваться с осторожностью. В целом, полученные данные можно использовать при разработке систем вентиляции для помещений с повышенными требованиями к воздухораспределения, характеризующимися высокой кратностью воздухообмена.