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 25-19-00133
НазваниеПереход к турбулентности при отрыве закрученного потока в каналах
Руководитель Молочников Валерий Михайлович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» , Республика Татарстан (Татарстан)
Конкурс №104 - Конкурс 2025 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 ламинарно-турбулентный переход, отрыв потока, закрутка потока, гемодинамика, умеренные числа Рейнольдса, структура течения, внезапное расширение, поворот потока, разветвление каналов, эксперимент, прямое численное моделирование, интенсификация теплоотдачи, потери давления
Код ГРНТИ44.09.39
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Закрученные потоки используется в многочисленных технических устройствах: теплообменниках, вихревых горелках, камерах сгорания, циклонах, сепараторах и т.д. Последние исследования показали, что закрутка – неотъемлемое свойство гемодинамики сердечно-сосудистой системы человека. Однако большинство исследований закрученного потока выполнены для канала постоянного сечения, либо для истечения закрученной струи в практически безграничное пространство. Исследования отрыва закрученного потока в каналах немногочисленны, что объясняется чрезвычайно сложным трехмерным характером течения, сопровождающимся, как правило, прецессией вихря и его разрушением. Наименее изученным является отрыв закрученного потока при малых и умеренных числах Рейнольдса. На этих режимах течения отрыв потока даже при отсутствии закрутки может выступать в качестве дестабилизирующего фактора, стимулирующего возникновение и развитие турбулентности. Влияние закрутки потока на процессы ламинарно-турбулентного перехода в отрывных течениях в каналах слабо изучены. Тем не менее, некоторые данные указывают на то, что закрутка потока может либо способствовать затягиванию перехода к турбулентности в отрывных течениях на более высокие числа Рейнольдса, либо напротив, приводить к более ранней, по сравнению с течением без закрутки, турбулизации течения в области отрыва. Отрыв потока в искривленных или разветвленных каналах, как правило, приводит к формированию парных поперечных вихрей – вторичных течений Прандтля первого рода, которые оказывают существенное влияние на структуру течения и теплоотдачу. Влияние закрутки потока на вторичные течения практически не изучено.
Проект предусматривает проведение комплексных исследований влияния закрутки потока на структуру течения и процессы ламинарно-турбулентного перехода при отрыве потока в каналах при низких и умеренных числах Рейнольдса на примере классических случаев отрывных течений: внезапное расширение канала, поворот русла и его разветвление. Кроме того, планируется исследовать влияние закрутки на теплоотдачу в рассматриваемых типах отрывных течений. Исследования будут включать физическое моделирование, при котором измерение параметров потока будут выполняться с использованием метода SIV (Smoke Image Velocimetry) собственной разработки, относящегося к современным панорамным методам измерения динамики векторных полей скорости потока, а также прямое численное моделирование. Такой комплексный подход позволит получить наиболее полную информацию о структуре исследуемых течений. На основе анализа полей скорости потока и их среднеквадратичных пульсаций в исследуемых областях, осциллограмм и спектров пульсаций компонент скорости потока, полученных в эксперименте и дополненных данными прямого численного моделирования, будет получена новая информация о влиянии параметров закрученного потока на процессы ламинарно-турбулентного перехода, а также теплоотдачи в исследуемых течениях. Обобщение этой информации позволит описать физические механизмы этого влияния. Планируется также выполнить измерения перепада давления на измерительных участках, что позволит оценить влияние закрутки потока на потери давления в рассматриваемых случаях отрывных течений. Подобные исследования, как показал обзор современной литературы, носят единичный характер, поэтому полученные в ходе выполнения проекта результаты будут, безусловно, новыми и соответствовать современному уровню развития гидродинамики. Кроме того, по результатам выполнения проекта предполагается сформулировать конкретные рекомендации применения закрутки потока в различных технических устройствах для улучшения их теплоэнергетической эффективности. Предполагается также, что результаты исследований найдут применение и в биомеханике: в работах по созданию более благоприятных гемодинамических условий в области присоединения шунта и артерии (анастомозе) при шунтировании крупных сосудов сердечно-сосудистой системы человека.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидается получение новых научных данных о процессах ламинарно-турбулентного перехода при отрыве закрученного потока в диапазоне низких и умеренных числах Рейнольдса. Для классических типов отрыва потока (внезапное расширение, поворот русла и его разветвление) будут выявлены основные закономерности эволюции структуры течения, включая условия возникновения прецессии вихря и его разрушение. Будут получены данные о влиянии закрутки на пространственные масштабы областей отрыва потока и развитие вторичных течений в поперечных сечениях каналов рассматриваемой конфигурации. Будут определены диапазоны режимов течения в пространстве изменения числа Рейнольдса и степени закрутки потока, при которых закрутка потока играет стабилизирующую роль с точки зрения ламинарно-турбулентного перехода, или инициирует более ранний переход к турбулентности в зоне разветвления каналов. Планируется выявить общие закономерности и механизмы влияния закрутки на процессы ламинарно-турбулентный перехода в рассматриваемых течениях, оценить последствия воздействия этих процессов на изменение коэффициента теплоотдачи в областях отрыва потока. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, позволят расширить представления о механизмах ламинарно-турбулентного перехода в отрывных течениях в каналах. Они будут соответствовать уровню современному развития гидродинамики, а в отдельных аспектах – опережать этот уровень. Практическая значимость выполнения проекта связана с использовании закрутки потока в теплообменниках и системах охлаждения для уменьшения длины отрывной области за элементами дискретной шероховатости и, соответственно, увеличении коэффициента теплоотдачи в отрывной области, снижении потерь давления в изогнутых каналах и областях их разветвления. Важная область применения результатов исследования связана с необходимостью учета естественной закрутки потока и анализа ее последствий при моделировании гемодинамики области сужения сосудов при отложении атеросклеротических бляшек (стеноз) или зоны присоединения шунта к артерии-хозяину (проксимальный или дистальный анастомоз). Кроме того, полученные данные могут быть использованы при решении проблемы применения искусственной закрутки для затягивания ламинарно-турбулентного перехода и, соответственно, снижения интенсивности пульсаций потока в области бифуркации артерий (область соединения шунта с артерией-хозяином), что может послужить продлению срока службы сосудистых трансплантантов. Планируется выработать рекомендации по применению полученных в ходе выполнения проекта результатов в обозначенных областях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработаны и изготовлены рабочие участки установки для исследования отрыва закрученного потока и два варианта лопаточного завихрителя, обеспечивающего закрутку. Изготовлен бокс для размещения рабочего участка, который заполнялся глицерином и использовался для минимизации оптических искажений при проведении измерений. Первый вариант завихрителя имел в выходном сечении угол установки лопаток 23 градуса, второй – 45 градусов.
Выполнена визуализация течения, SIV измерения мгновенных векторных полей скорости и прямое численное моделирование закрученного потока в гладком канале и в канале с внезапным расширением в диапазоне чисел Рейнольдса Re =240…1640, рассчитанных по диаметру канала перед расширением и среднерасходной скорости в этом канале. Расчеты выполнялись при помощи решения трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса в безразмерных естественных переменных в пакете Ansys Fluent.
Показано, что прямой участок гладкой трубы перед завихрителем обеспечивает на его входе развитое ламинарное течение рабочей жидкости.
Установлено, что за обоими вариантами завихрителя в поперечных сечениях трубы формируется неравномерное поле скорости, обусловленное наличием областей локальных максимумов в межлопаточном пространстве завихрителя и областей снижения скорости в следе его лопаток. С удалением от завихрителя эти поля выравниваются под влиянием вязких эффектов. Показано, что степень закрутки потока, рассчитанная по результатам планарных измерений скорости и предположении об осевой симметрии потока, немонотонно изменяется по продольной координате в ближней области за завихрителем. В этой области она отличается от результатов прямого численного моделирования, учитывающего неравномерность полей осевой и окружной компонент скорости потока.
Установлены основные закономерности эволюции продольной и окружной компонент скорости потока и ее пульсаций в гладкой трубе при увеличении расстояния от завихрителя. По результатам измерений обнаружены признаки локального ламинарно-турбулентного перехода в трубе за завихрителем: интенсивный рост среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости потока и появление перемежаемости в осциллограммах скорости. Установлено, что за завихрителем №1 эти признаки появляются на оси трубы, начиная с Re = 1200, а вблизи стенки – при Re = 1500, а при увеличении степени закрутки (за завихрителем №2) – при Re = 800 как на оси трубы, так и вблизи стенки. В обоих случаях области роста среднеквадратичных пульсаций скорости потока вблизи стенки располагаются с некоторой периодичностью по продольной координате. За завихрителем №2 при Re > 800 обнаружены признаки прецессии вихря: периодические низкочастотные пульсации компонент скорости потока.
Выявлены физические механизмы ламинарно-турбулентного перехода в гладкой трубе за лопаточным завихрителем: на оси трубы локальная турбулизация потока вызвана неблагоприятным градиентом давления в осевом направлении, возникающим под влиянием разрежения в окрестности оси трубы, создаваемого центробежными силами при закрутке потока. В пристеночной области центробежные силы подавляют турбулентность, локальный ламинарно-турбулентный переход начинается при больших или равных значениях числа Рейнольдса, чем на оси трубы, и вызван взаимодействием со стенкой следа за лопатками завихрителя вследствие его (следа) спиралевидного движения.
Измерения полей скорости в канале с внезапным расширением при отсутствии закрутки потока (базовый случай) показано, что во всем диапазоне исследуемых чисел Рейнольдса в области внезапного расширения сохраняется ламинарный режим течения.
Выявлены основные закономерности развития полей продольной и окружной компонент скорости и ее среднеквадратичных пульсаций в области отрыва закрученного потока за внезапным расширением осесимметричного канала и влияния закрутки потока на появление признаков ламинарно-турбулентного перехода.
Установлено, что закрутка потока приводит к существенному (в три и более раза) сокращению продольных размеров отрывной области. Выявлен диапазон чисел Рейнольдса (Re = 800…1200), в котором при использовании завихрителя №1 в области внезапного расширения формируется смещенная относительно оси канала зона торможения потока (зона дефекта скорости). Получено пространственное положение этой зоны и приближенная форма ее границ. Характеристики течения в этой зоне позволяют классифицировать ее, как зону разрушения вихря, однако выше по потоку признаков прецессии вихра не обнаружено.
При увеличении числа Рейнольдса (Re = 1640), равно как и при увеличении степени закрутки (завихритель №2) при Re > 500 зона торможения отсутствует, однако вблизи стенок канала в области присоединения потока формируются крупномасштабные вихревые структуры, которые периодически разрушаются на более мелкие разномасштабные вихревые образования и сносятся вниз по потоку.
Установлено, что признаки ламинарно-турбулентного перехода – интенсивный рост среднеквадратичных пульсаций скорости потока и перемежаемость в осциллограммах скорости – локализуются вблизи переднего фронта зоны торможения потока (Re = 800…1200, завихритель №1) и в окрестности переднего фронта крупномасштабных вихревых структур, формируемых на стенках канала (Re=1640, завихритель №1 и Re = 800, завихритель №2)). За зоной торможения и в тыловой части вихревых структур в области снижения уровня пульсаций обнаружены зоны с признаками развитой турбулентности.
Таким образом, закрутка потока в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса инициирует более ранний, по сравнению с течением без закрутки, ламинарно-турбулентный переход в области внезапного расширения канала, который носит локальный характер.
Выполнено DNS теплоотдачи в области внезапного расширения и измерение перепада давления в исследуемом течении. Получены зависимости коэффициента теплоотдачи (числа Нуссельта Nu) по длине канала после расширения. Установлено, что среднее по длине расчетной области значение безразмерного коэффициента теплоотдачи Nu по сравнению с течением без закрутки возрастает от 3.5 до 5.3 раз и практически не зависит от начальной степени закрутки потока. Максимум локального коэффициента теплоотдачи располагается ниже точки присоединения потока; значение Nu в области максимума превышает среднее по длине области значение в 1.7…2.5 раза в зависимости от числа Рейнольдса.
Установлено, что коэффициент сопротивления завихрителей увеличивается с ростом Re. Сопротивление завихрителя №2 выше, чем у завихрителя №1 на 60% (при Re = 800), эта разница уменьшается с ростом Re. Коэффициент сопротивления внезапного расширения в условиях закрутки с ростом Re снижается. Установлено, что коэффициент теплоотдачи закрученного потока через внезапное расширение (завихритель №1) по сравнению с течением без закрутки увеличивается до 5.3 раз при увеличении коэффициента сопротивления канала на этих режимах до 30%.
Публикации
1.
Молочников В.М., Пашкова Н.Д., Паерелий А.А.
Эволюция закрученного потока в круглой трубе после лопаточного завихрителя при умеренных числах Рейнольдса (Evolution of swirling flow in a circular pipe after a vane swirler at moderate Reynolds numbers)
Теплофизика и аэромеханика (Thermophysics and Aeromechanics), том 32, № 4, с.667-682 (год публикации - 2025)
10.63430/TIA202504003