Процес спотворення форми вихору Ламба, руйнування при взаємодії з гострою кромкою пластини. Взаємодія пограничного шару на твердій поверхні з великомасштабними вихоровими збуреннями у потоку в’язкої рідини на основі нестаціонарних рівнянь Нав’є-Стокса.
Аннотация к работе
В багатьох випадках гідродинамічні характеристики твердих тіл при обтіканні їх потоком вязкої рідини визначаються параметрами пограничного шару, що утворюється на поверхні тіл. Додаткові ускладнення виникають при взаємодії пограничного шару зі збуреннями, які або вже існують в набігаючому потоку, або розвиваються внаслідок неоднорідності геометричної форми поверхні. Щоб вивчити тонкі фізичні процеси в таких течіях, потрібно мати дані не тільки про інтегральні параметри тіла в потоці та поведінку потоку в деяких місцях, а й про структуру потоку в цілому і її зміни в часі. На відміну від цього, повні нестаціонарні рівняння Навє-Стокса дають змогу досліджувати процеси, що відбуваються в усіх областях вязкої течії, включаючи і пограничний шар біля поверхні тіла, і потік далеко за межами пограничного шару. Мета дисертації полягає у виявленні основних механізмів та закономірностей при взаємодії вихорових збурень, які містяться в набігаючому потоку, з пограничним шаром на поверхні твердого тіла, а також у дослідженні структури потоку та розвитку збурень у пограничному шарі при наявності крупномасштабної геометричної неоднорідності обтічної поверхні.В першому розділі розглянуто стан вивчення явищ, повязаних з нестаціонарною взаємодією вихорових збурень в потоку вязкої рідини з пограничним шаром на поверхні твердих тіл, а також з обтіканням поверхні зі значною геометричною неоднорідністю (каверною) та відсмоктуванням частини рідини з пограничного шару через поверхню тіла. Воропаєв, взаємодія вихорових структур з пограничним шаром досліджується у лінеаризованій постановці, що виходить з малості збурень і дозволяє розглядати реакцію пограничного шару на зовнішні збурення. Eaton) показують, що крупномасштабні інтенсивні вихрі можуть повністю змінювати структуру пограничного шару, спричинювати місцевій відрив потоку і навіть повністю руйнувати пограничний шар. Для оцінки впливу присутності виїмок на обтікання поверхні необхідно вивчати поведінку потоку в цілому, включаючи як область навколо виїмки, так і потік за її межами, використовуючи рівняння Навє-Стокса. Подальший розвиток потоку і зміни, які відбуваються з вихорами та пограничним шаром на пластині залежать від початкового діаметра вихору а0, циркуляції Г, положення відносно пластини (початкового зсуву центру по вертикалі).У дисертації наведено теоретичне дослідження проблем нестаціонарної взаємодії крупних вихорових збурень в потоку вязкої рідини з пограничним шаром на поверхні твердих тіл, а також обтікання поверхні зі значною геометричною неоднорідністю (виїмкою) та відсмоктуванням частини рідини з пограничного шару через поверхню тіла. Одержані результати виявляють основні механізми та закономірності поведінки потоку в цих умовах, що дає змогу цілеспрямовано впливати на структуру потоку в різних режимах в залежності від параметрів потоку і геометрії поверхні, і таким чином керувати гідродинамічними характеристиками тіл. Основні результати роботи полягають в наступному: Розроблено фізико-математичну модель та реалізовано алгоритм чисельного аналізу стаціонарних та нестаціонарних течій вязкої нестисливої рідини в присутності твердих границь, який базується на розвязку нестаціонарних рівнянь Навє-Стокса в змінних завихреність - функція течії. На основі чисельного розвязку задачі вязкого обтікання пластини з відсмоктуванням через відвідний канал, розташований під кутом до пластини, визначено умови існування безвідривного обтікання як над пластиною, так і в каналі. Вивчено процес руйнування вихорів при їх ударі з передньою кромкою пластини і подальший вплив на пограничний шар.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У дисертації наведено теоретичне дослідження проблем нестаціонарної взаємодії крупних вихорових збурень в потоку вязкої рідини з пограничним шаром на поверхні твердих тіл, а також обтікання поверхні зі значною геометричною неоднорідністю (виїмкою) та відсмоктуванням частини рідини з пограничного шару через поверхню тіла. Одержані результати виявляють основні механізми та закономірності поведінки потоку в цих умовах, що дає змогу цілеспрямовано впливати на структуру потоку в різних режимах в залежності від параметрів потоку і геометрії поверхні, і таким чином керувати гідродинамічними характеристиками тіл.
Основні результати роботи полягають в наступному: Розроблено фізико-математичну модель та реалізовано алгоритм чисельного аналізу стаціонарних та нестаціонарних течій вязкої нестисливої рідини в присутності твердих границь, який базується на розвязку нестаціонарних рівнянь Навє-Стокса в змінних завихреність - функція течії.
На основі чисельного розвязку задачі вязкого обтікання пластини з відсмоктуванням через відвідний канал, розташований під кутом до пластини, визначено умови існування безвідривного обтікання як над пластиною, так і в каналі. Одержано залежності від числа Рейнольдса, середнього розходу через канал, кута нахилу водоводу і комбінації цих параметрів.
Досліджено взаємодію детермінованих вихорів у вязкому потоку з пластиною скінченної довжини. Вивчено процес руйнування вихорів при їх ударі з передньою кромкою пластини і подальший вплив на пограничний шар. Показано суттєву відмінність у структурі потоку, що виникає в результаті набігання на передню кромку пластини одиночного вихору та пари вихорів. Одержано залежності нестаціонарних характеристик обтікання пластини від циркуляції, розміру, початкового положення вихорів відносно передньої кромки пластини. Визначено умови виникнення відривного вихору біля передньої кромки пластини.
Досліджено обтікання поверхні, що має геометричну неоднорідність у вигляді однієї або декількох виїмок з гострими або гладенькими кромками. Показано існування стаціонарного та квазіперіодичного режиму потоку в околі виїмок в залежності від співвідношення параметрів основного потоку та геометричних розмірів виїмок. В стаціонарному режимі нульова лінія течія відділяє течію у виїмці від основного потоку, всередині виїмки існує циркуляційна течія з одним центром обертання. При квазіперіодичному режимі вздовж верхньої частини виїмки розвивається нестійкість зсувного шару, який сходить з передньої кромки і визначає частоту коливань як в районі виїмки, так і вниз за течією. У виїмці існує декілька вихорових зон з різним напрямком обертання рідини, які інтенсифікуються з підвищенням швидкості основного потоку. Наслідком їх впливу є поява двох діапазонів основних частот коливань.
Показано вплив дискретного вдуву/відсмоктування через стінки виїмок на структуру течії в околі виїмок в стаціонарному режимі в залежності від інтенсивності та місця його застосування на стінці.
2. Воропаєв Г.О., Розумнюк Н.В. Чисельне моделювання взаємодії одиночного вихору з пластиною // Вісник Київського Університету імені Тараса Шевченка. Математика. Механіка. - 1998. - Випуск 1. - С.53-58
3. Розумнюк Н.В. Чисельний аналіз структури течії на поверхні з геометричною неоднорідністю // Вісник Донецького Університету. Серія А. - 2002. - №1. - С.176-179
4. Voropaev G. A., Rozumniuk N. V. Effect of coherent structures on the boundary layer characteristics // Proc. Euromech Colloquium 327: Effects of organized vortex motion on heat and mass transfer. - 1994. - Kiev. - P.112-114
5. Воропаев Г.А., Розумнюк Н.В. Вихревые структуры в сдвиговом потоке // Тез. докл.2 Сиб. семин. Устойчивость гомог. и гетерог. жидкостей. - 1995. - Новосибирск. - С.14.
6. Voropaev G. A., Rozumnyuk N. V. Interaction of a surface deformed continuously or discretely with a boundary layer // Proc.11th European Drag Reduction Working Meeting. - 1999. - Prague. - P.79
7. Voropaev G. A., Rozumnyuk N. V. A deformed and deformable surface as a means of boundary layer characteristics control // Proc. "ORGANIZED VORTICAL MOTION AS A BASIS FOR BOUNDARY-LAYER CONTROL". - Kiev. - 2000. - P.55