Вихревые структуры и локальный теплообмен в свободноконвективном пограничном слое, возмущенном трехмерными препятствиями

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-19-00082

НазваниеВихревые структуры и локальный теплообмен в свободноконвективном пограничном слое, возмущенном трехмерными препятствиями

Руководитель Смирнов Евгений Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова турбулентный перенос, теплообмен, свободная конвекция, обтекание препятствий, вихревые структуры, численное моделирование, термоанемометрия, ламинарно-турбулентный переход

Код ГРНТИ44.31.03, 44.37.29, 44.33.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на получение фундаментальных знаний по управлению турбулентным переносом в свободноконвективных пограничных слоях, развивающихся на нагреваемых вертикальных и наклонных поверхностях, посредством их возмущения трехмерными препятствиями. Проект включает две тесно связанные между собой части. Первая из них - это многопараметрическая задача исследования существенно трехмерных вихревых структур и локального теплообмена в области взаимодействия развитого турбулентного свободноконвективного слоя с утолщенными хорошо- и плохообтекаемыми препятствиями различной геометрии, погруженными в пограничный слой и имеющими различную теплопроводность. Здесь особая роль уделяется изучению интенсифицирующего действия системы подковообразных и сопутствующих вихрей на конвективный унос тепла с нагреваемой поверхности в окрестности препятствия, с ожидаемыми сильными неоднородностями в распределении коэффициента теплоотдачи. Вторая задача – это форсирование ламинарно-турбулентного перехода в свободноконвективном пограничном слое с целью кардинального сокращения протяженности участка перехода, который в условиях естественного перехода на гладких поверхностях превосходит протяженность устойчивого ламинарного слоя и при типичных для инженерной практики перепадах температур может составлять несколько метров. Здесь предусматривается изучение динамических явлений при искусственной турбулизации исходно ламинарного пограничного слоя (находящегося на границе его устойчивости) при его взаимодействии с трехмерными препятствиями различной геометрии, совместно с сопутствующими изменениями в локальной и интегральной теплоотдаче. Поставленная общая задача по формированию научных основ пассивного управления турбулентным переносом в свободноконвективных пограничных слоях посредством их возмущения трехмерными препятствиями является существенно новой в обеих ее частях. Актуальность проекта обусловлена тем, что задачи управления турбулентным переносом в свободноконвективном пограничном слое до настоящего времени оставались вне поля интересов исследователей. Вместе с тем, имеется все ширящееся множество практических устройств и технологий, в которых определяющую роль играет теплоотдача при турбулентном и переходном режимах течения в свободноконвективных пограничных слоях. Оптимизация этих устройств и технологий может достигаться в том числе, и методами пассивного управления турбулентным переносом в свободноконвективных слоях. Проект предусматривает согласованные экспериментальные и расчетные исследования. Экспериментальные исследования проводятся на имеющейся уникальной крупномасштабной воздушной установке с нагреваемой вертикальной пластиной длиной 5 м, с введением необходимых модернизаций и изменений в целях проекта. Расчетные исследования выполняются посредством численного решения трехмерных нестационарных уравнений движения и энергии. Применяются современные вихре-разрешающие подходы, а именно: прямое численное моделирование (DNS) – для задачи форсинга ламинарно-турбулентного перехода, – и метод моделирования крупных вихрей (LES) – для задачи взаимодействия турбулентного свободноконвективного слоя с трехмерными препятствиями. Для изучения взаимодействия турбулентного свободноконвективного слоя с трехмерными препятствиями используется также RANS подход (в стационарной и нестационарной формулировках) с привлечением низкорейнольдсовых полуэмпирических моделей турбулентности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Смирнов Е.М., Абрамов А.Г., Смирновский А.А., Смирнов П.Е. Numerical simulation of turbulence arising in the free convection boundary layer after a cross row of rectangular obstacles Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1128, 012090 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1128/1/012090

2. Левченя А.М., Смирнов Е.М., Жуковская В.Д., Иванов Н.Г. Numerical study of 3D turbulent flow and local heat transfer near a cylinder introduced into the free-convection boundary layer on a vertical plate Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference, August 10-15, 2018, Beijing, China, IHTC16-22916, 8 p. (год публикации - 2018)

3. Алексеев П.Е., Чумаков Ю.С. Определение области ламинарно-турбулентного перехода в свободно-конвективном пограничном слое по данным измерения поля температуры и ее пульсаций Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием. Институт прикладной математики и механики, с.6-8 (год публикации - 2018)

4. Смирнов Е.М., Левченя А.М., Жуковская В.Д. RANS-based numerical simulation of the turbulent free convection vertical-plate boundary layer disturbed by a normal-to-plate circular cylinder International Journal of Heat and Mass Transfer, V.144, P. 118573 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118573

5. Зайцев Д.К., Смирнов Е.М. Method of calculation of turbulent Prandtl number for the SST turbulence model St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, V. 12(1), P. 35–44 (год публикации - 2019)
10.18721/JPM.12103

6. Левченя А.М., Колесник Е.В., Смирнов Е.М. Disturbing effects of a cylinder-form macro-roughness on the turbulent free-convection boundary layer: Large Eddy Simulation Journal of Physics: Conference Series, V. 1400, 077031 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1400/7/077031

7. Котикова М.Р., Левченя А.М., Засимова М.А., Смирнов Е.М. Свободно-конвективный пограничный слой на вертикальной пластине, возмущаемый поперечным рядом цилиндрических препятствий: численное моделирование на основе RANS-подхода Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике: Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, С. 204-205 (год публикации - 2019)

8. Левченя А.М., Колесник Е.В., Смирнов Е.М. Возмущение турбулентного свободно-конвективного пограничного слоя макро-шероховатостью в виде одиночного цилиндра: моделирование методом крупных вихрей Тезисы докладов международной конференции ФизикА.СПб, с.464-465 (год публикации - 2019)

9. Котикова М.Р., Молодожников Н.А., Левченя А.М. RANS моделирование свободноконвективного пограничного слоя, возмущенного препятствиями конечной высоты Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием, C. 25-27 (год публикации - 2019)

10. Колесник Е.В., Смирновский А.А., Щур Н.А., Иванов Н.Г., Смирнов Е.М. Experience in using a synthetic turbulence generator for eddy-resolving simulation of the free convection boundary layer on a vertical plate Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1565. P. 012105 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1565/1/012105

11. Котикова М.Р., Левченя А.М., Засимова М.А., Смирнов Е.М. Vertical-plate free convection boundary layer disturbed by a row of circular cylinders: RANS-based numerical simulation Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1565, P. 012082 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1565/1/012082

12. Чумаков Ю.С., Левченя А.М., Храпунов Е.Ф. An experimental study of the flow in the area of influence of a cylinder immersed in the free convective boundary layer on a vertical surface St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, V. 13(1), P. 66–77 (год публикации - 2020)
10.18721/JPM.13106

13. Левченя А.М., Трунова С.Н., Колесник Е.В. Assessment of RANS turbulence models capabilities based on computational results for free convection developing near a suddenly heated vertical plate St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, V. 13 (2), P. 25–36 (год публикации - 2020)
10.18721/JPM.13203

14. Чумаков Ю.С., Храпунов Е.Ф., Малых А.Д. The effect of large-scale disturbances on the laminar-turbulent transition in a free-convective layer on a vertical surface: an experimental study St. Petersburg Polytechnical State University Journal. Physics and Mathematics, V. 13 (3), P. 108–118 (год публикации - 2020)
10.18721/JPM.13308

15. Левченя А.М., Смирнов Е.М., Смирновский А.А., Засимова М.А. Disturbing action of a cubical obstacle on the turbulent vertical-plate free convection boundary layer: RANS-based simulation Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1697 (год публикации - 2020)

16. Чумаков Ю.С., Левченя А.М., Смирнов Е.М. Computational and experimental study of 3D flow near the cube immersed in the turbulent free convection boundary layer on a vertical heated plate Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1675 (год публикации - 2020)

17. Смирнов Е.М., Левченя А.М., Иванов Н.Г., Смирновский А.А. Experience in DNS of turbulent free convection in air along an isothermal vertical plate Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1675. (год публикации - 2020)

18. Чумаков Ю.С., Смирнов Е.М., Левченя А.М., Панов Д.О. Effect of the horseshoe-shaped vortex on heat transfer in vicinity of the leading edge of a cylinder immersed in the turbulent free convection boundary layer on a vertical plate Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1683 (год публикации - 2020)

19. Левченя А.М., Смирнов Е.М., Смирновский А.А. Численное исследование возмущающего действия кубического препятствия на турбулентный свободно-конвективный пограничный слой, развивающийся на вертикальной нагретой пластине Тезисы докладов международной конференции ФизикА.СПб, С. 471-472 (год публикации - 2020)

20. Чумаков Ю.С., Левченя А.М., Смирнов Е.М. Расчетно-экспериментальное исследование течения в окрестности куба, погруженного в турбулентный свободноконвективный пограничный слой на вертикальной пластине Тезисы докладов V Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых учёных «Теплофизика и физическая гидродинамика», С. 50 (год публикации - 2020)

21. Смирнов Е.М., Левченя А.М., Иванов Н.Г., Смирновский А.А. Опыт прямого численного моделирования свободноконвективного пограничного слоя воздуха на вертикальной изотермической пластине Тезисы докладов V Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых учёных «Теплофизика и физическая гидродинамика», С. 148 (год публикации - 2020)

22. Смирнов Е.М. Вихревые структуры и теплообмен в свободноконвективном пограничном слое, возмущенном трехмерными препятствиями Тезисы докладов V Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых учёных «Теплофизика и физическая гидродинамика», С. 10 (год публикации - 2020)

23. Чумаков Ю.С., Смирнов Е.М., Левченя А.М. Влияние подковообразного вихря на теплоперенос у передней кромки цилиндра, погруженного в турбулентный свободноконвективный пограничный слой на вертикальной пластине Тезисы докладов III Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики», С. 310-311 (год публикации - 2020)

24. Смирнов Е.М., Иванов Н.Г., Колесник Е.В. Numerical simulation of turbulence sharply arising in a free convection vertical-plate boundary layer behind a row of rectangular protuberances Int. Conf. on the Methods of Aerophys. Research (Novosibirsk, Russia, November 1-7, 2020): Abstracts. Pt. II. Novosibirsk: Parallel, C. 186-187 (год публикации - 2020)

25. Смирнов Е.М., Иванов Н.Г., Смирнов П.Е. Ламинарно-турбулентный переход в свободноконвективном пограничном слое на вертикальной пластине при возмущающем действии прямоугольных препятствий Тезисы докладов, представленных на XXIV Международную конференцию «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность», С. 101 (год публикации - 2020)

26. Смирнов Е.М., Иванов Н.Г., Панов Д.О., Смирнов П.Е. Численное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в свободно-конвективном пограничном слое при возмущающем действии прямоугольных препятствий Пермские гидродинамические научные чтения: материалы всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти профессоров Г. З. Гершуни, Е. М. Жуховицкого и Д. В. Любимова, С. 361-366 (год публикации - 2020)

27. Засимова М.А., Левченя А.М., Смирнов С.И., Смирнов Е.М. Подковообразные вихревые структуры в окрестности цилиндрического выступа, возмущающего турбулентный свободно-конвективный пограничный слой на вертикальной пластине Пермские гидродинамические научные чтения: материалы всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти профессоров Г. З. Гершуни, Е. М. Жуховицкого и Д. В. Любимова., С. 176-181 (год публикации - 2020)

28. Абрамов А.Г., Иванов Н.Г., Рис В.В. Течения жидкости в полях объемных сил. Ламинарные режимы и устойчивость свободноконвективных течений СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 114 с. (год публикации - 2020)

Публикации