На правах рукописи ГОРБАЧЕВ Максим Александрович ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

На правах рукописи
ГОРБАЧЕВ Максим Александрович
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ГЕНЕРАЦИИ И УСТОЙЧИВОСТИ
ТЕПЛОВЫХ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВИХРЕЙ
01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва – 2013
1
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки
Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.
Научный руководитель:
член-корреспондент РАН,
профессор
Вараксин А.Ю.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических
наук, профессор
Синкевич О.А.;
кандидат технических наук
Ивочкин Ю.П.
Ведущая организация:
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Защита состоится “_____” ____________ 2013 г. в ___ ч. ____ мин. на заседании
диссертационного совета Д 002.110.02 Федерального государственного бюджетного
учреждения науки Объединенного института высоких температур Российской
академии наук по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, д.13, стр. 2,
экспозиционный зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Автореферат разослан “_____” ____________ 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.ф.-м.н.
А.Л. Хомкин
© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Вихревое движение – одно из основных состояний
движущейся сплошной среды. Примечательно, что во многих случаях завихрённость
локализуется в пространстве, вследствие чего формируются концентрированные
вихри, которые привлекают повышенный интерес с точки зрения как
фундаментальных исследований, так и практики. Достаточно четкое определение
концентрированного вихря можно дать для случая идеальной жидкости: это
локализованная в пространстве область с ненулевой завихрённостью, окруженная
потенциальным течением.
В природе и технике реализуется множество вихревых движений, которые
можно рассматривать как концентрированные вихри с той или иной степенью
приближения к указанным выше идеализированным объектам. Примерами
технических устройств, в которых используются вихревые потоки, являются
циклонные сепараторы, вихревые трубы, центробежные форсунки, вихревые
топочные камеры и горелки, различные турбулизаторы и многое другое. Так, в
вихревом расходомере именно по частоте прецессии концентрированного вихря в
закрученном потоке определяют расход жидкости. Возникновение прецессирующего
вихревого жгута за рабочим колесом гидротурбины вызывает интенсивные
пульсации давления, что может привести к катастрофическим последствиям. При
обтекании треугольного крыла формирование вихревых жгутов и их распад влияют
на подъемную силу и управляемость крыла. Управление обтеканием тел с
использованием вихревых ячеек является одним из перспективных и актуальных
направлений современной гидрогазодинамики. Использование вихревых эффектов
открывает широкие возможности для интенсификации ряда процессов (смешение,
горение) и управления их устойчивостью.
Такие макромасштабные явления, как океанические вихри или атмосферные
циклоны (антициклоны), тоже относятся к концентрированным вихрям. Но их
масштабы сопоставимы (и больше) с толщиной слоя атмосферы (океана),
вследствие чего их описание имеет свою специфику. Среди природных явлений,
имеющих отношение к концентрированным вихрям, несомненно, следует назвать
смерчи (в англоязычной литературе используется несколько более узкий термин торнадо), а также их мелкомасштабные аналоги – водяную воронку и “пыльный
дьявол”. В настоящий момент среди сведений, относящихся к смерчам, есть
результаты фото и киносъёмок, словесные описания очевидцев и следы
деятельности смерчей, а также результаты радиолокационных наблюдений. Стоит
отметить, что исследовать смерч не только трудно, но и опасно – при
непосредственном контакте он уничтожает не только измерительную аппаратуру, но
и наблюдателя.
Сложность поведения концентрированных вихрей влечет за собой большие
трудности, как при математическом описании, так и экспериментальном
3
исследовании. Решение трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса для
столь сложного гидродинамического и теплофизического объекта, каковым является
концентрированный вихрь, даже с учетом динамики развития методов прямого
численного моделирования (DNS-метод, LES-метод и др.) вряд ли осуществимо в
ближайшее время в силу чрезвычайной сложности постановки граничных и
начальных условий. Наиболее распространенный подход к описанию динамики
деформированного протяженного вихря заключается в применении закона БиоСавара с использованием приближения тонкой вихревой нити. По-видимому,
больший эффект для понимания физики и построения теории вихревых течений
будут иметь простые аналитические или полуэмпирические модели.
Целью работы является проведение серии экспериментов по генерации в
лабораторных условиях свободных концентрированных нестационарных вихрей и
изучению их характеристик, а также апробация метода воздействия на вихревые
образования с помощью сеток различной конфигурации. Достижение этой цели
предполагает решение следующих основных задач:
1) нахождение условий устойчивой генерации свободные концентрированных
вихрей без использования механических закручивающих устройств.
2) экспериментальное исследование интегральных параметров (время жизни,
геометрия, характерные скорости и др.) получаемых вихревых структур.
3) изучение воздействия сеточных препятствий на поведение нестационарных
концентрированных вихрей.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) продемонстрирована принципиальная возможность генерации свободных
концентрированных вихрей различной интенсивности в лабораторных
условиях без принудительной закрутки.
2) найдены параметры неустойчивой стратификации воздуха (уровень
температур, темп нагрева и пространственные градиенты температур
подстилающей поверхности и воздуха), приводящей к образованию
нестационарных вихревых структур.
3) получены оригинальные данные, касающиеся интегральных параметров и
некоторых особенностей динамики модельных вихрей.
4) сформулирована задача управления характеристиками нестационарных
воздушных вихрей, и предложен метод воздействия, заключающийся в
расположении сеточных препятствий на пути их распространения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) экспериментальная установка, позволяющая осуществлять устойчивую
генерацию тепловых концентрированных вихрей различной интенсивности.
2) исследование тепловых режимов нагрева (охлаждения) подстилающей
поверхности, а также пространственно-временных полей температур воздуха,
4
при которых неустойчивая стратификация приводит к образованию тепловых
вихрей.
3) результаты экспериментального исследования параметров получаемых
вихревых структур: время жизни, геометрия, характерные скорости и др.
4) метод воздействия на воздушные вихревые структуры малых масштабов,
заключающийся в расположении на пути их распространения препятствий в
виде вертикальных или горизонтальных сеток.
Достоверность. Достоверность представленных в диссертации результатов
изучения структуры свободных концентрированных вихрей подтверждена оценкой
величины погрешности измерений, сравнением с аналитическими моделями
концентрированных вихрей и данными измерений других авторов.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в
использовании оригинальной установки, позволяющей получать в лабораторных
условиях нестационарные свободные концентрированные вихри без использования
закручивающих устройств. Получены новые данные по нестационарным вихревым
структурам: в частности, условия их генерации при неустойчивой стратификации
воздуха, процессы образования и распада, распределение скоростей в поперечных
сечениях воронки вихря.
На основании исследований по взаимодействию вихревых структур с
сеточными преградами предложен новый способ воздействия на природные
вихревые образования, имеющий ряд преимуществ с точки зрения эффективности и
технической простоты реализации.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на
14-ой международной конференции «International Heat Transfer Conference»
(Вашингтон, США, 2010); 5-ой Российской национальной конференции по
теплообмену (Москва, 2010); XI Международной научно-технической конференции
«Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2011); IV Международной
конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва,
2011); Всероссийской конференции «Механика и наномеханика структурно-сложных
и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы» (Москва, 2009);
Всероссийской конференции «Механика композиционных материалов и конструкций,
сложных и гетерогенных сред» (Москва, 2010); Всероссийской конференции
«Механика наноструктурированных материалов и систем» (Москва, 2011); VI школесеминаре «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем»
(Москва, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и
списка литературы. Работа изложена на 110 страницах, содержит 73 рисунка и
список литературы из 120 наименований.
5
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы, сформулированы цели
исследования, отмечена научная новизна и практическая ценность работы,
приведены основные положения, выносимые на защиту, и кратко описана структура
диссертации.
В первой главе приведен обзор экспериментальных работ, посвященных
моделированию стационарных концентрированных вихрей в лабораторных
условиях. В одной из первых работ Long’a (1956) образование стационарной
водяной воронки осуществлялось путем вращения цилиндрического сосуда
большого размера с жидкостью вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью.
Позднее Ying and Chang (1969) провели эксперимент по моделированию воздушных
концентрированных вихрей, где принудительная закрутка потока достигалась за счет
вращения цилиндрического экрана из проволоки, расположенного соосно с вихрем.
Наиболее распространенным классом экспериментальных установок по генерации
концентрированных вихрей являются установки Ward-type. Конструкция первой
установки данного класса описана в работе Ward (1971). В ней принудительная
закрутка потока осуществлялась за счет применения направляющих лопаток и
вентилятора. В последствие был создан ряд экспериментальных установок данного
класса (Wilkins et al. (1974), Church et al. (1976), Snow et al. (1987), Monji and Wang
(1988), Lyle (2002), Haan et. al. (2008)). Принципиально отличается установка
Макаренко и др. (1987) по моделированию вертикальной неустойчивости
атмосферы, в которой вихревые структуры во вращающемся сосуде с жидкостью
возникают при колебаниях вдоль оси вращения диска с отверстиями.
Одними из первых аналитических моделей концентрированных вихрей
являлись так называемый вихрь Лонга (1958) и стационарная модель смерча
Гутмана (1957). Достаточно простая модель концентрированного вихря, основанная
на рассмотрении уравнения Бернулли во вращающейся жидкости, предложена в
работе Yih (2007). Механизмы возникновения циркуляции в покоящейся жидкости
анализируются в стоковой теории смерча Смульского (1997). Модели вихрей,
основанные на автомодельном решение системы уравнений Навье-Стокса для
закрученной осесимметричной струи, рассматриваются в работах Якимова (1988),
Сычева (1989). Аналитическое описание целого класса концентрированных вихрей
на основе модифицированной модели вихревой нити дается в работе Shtern (1997).
При численном моделировании концентрированных вихрей значительной
трудностью является задание корректных граничных и начальных условий.
Пионерской работой, рассматривающей процесс формирования концентрированных
вихрей
вследствие
конвективной
неустойчивости
вблизи
подстилающей
поверхности, является исследование Rotunno (1977). Анализу динамики
концентрированных вихрей на основе метода крупных вихрей (LES-метод)
6
посвящены исследования Lewellen (2007). Лишь в некоторых работах предпринята
попытка учета фазовых превращений (Синкевич (2002), Ingel (2004)).
В главе описаны основные виды вихревых структур: вихрь Рэнкина, вихрь
Ламба-Озеена, вихрь Бюргерса.
Во второй главе описана созданная экспериментальная установка и
методика
проведения
измерений.
Установка
позволяет
осуществлять
контролируемый нагрев газовой горелкой (максимальная тепловая мощность – 3,5
кВт) подстилающей поверхности алюминиевого листа (диаметр – 1100 мм, толщина
– 1,5 мм). Нагрев листа снизу приводит к генерации нестационарных вихревых
структур вследствие создания над ним неустойчивой стратификации воздуха (рис.1).
Необходимо отметить, что в отличие от большинства проведенных ранее
экспериментальных
исследований,
используемая
установка
позволяла
осуществлять
генерацию
свободных
(не
ограниченных
стенками)
концентрированных нестационарных вихревых структур без использования
механических закручивающих устройств.
В главе представлено описание диагностических средств, используемых в
процессе проведения экспериментов: термопар, инфракрасного термометра,
термоанемометра, фото- и видеокамер. С целью детального изучения полей
мгновенных скоростей генерируемых вихревых структур использовался полевой
измеритель скоростей «ПОЛИС» (ИТ СО РАН), позволяющий проводить
бесконтактные измерения методом цифровой трассерной визуализации (PIV-метод)
с высоким пространственно-временным разрешением и относительно малыми
погрешностями.
Эксперименты
проводились
на
различных тепловых режимах (табл.1),
характеризующихся
своими
временами
нагрева (  h ), временами охлаждения (  c ) и
величиной максимальной температуры в
центре подстилающей поверхности ( Tc max ).
Для
визуализации
генерируемых
вихревых структур использовались частицытрассеры (частицы магнезии микрометровых
размеров), которые наносились тонким
Рис.1. Схема эксперимента по
слоем на подстилающую поверхность перед
визуализации воздушных вихрей:
проведением экспериментов либо «дым»,
1 – свободный концентрированный вихрь;
получаемый при кипении специальной
2 – подстилающая поверхность; 3 –
жидкости
(VDLSL5,
фирма
Velleman,
цифровая фотокамера; 4 – лазер; 5 – блок
синхронизации; 6 – рама; 7 – фоновое
Бельгия).
Представлено
распределение
полотно; 8 – стойка освещения; 9 –
используемых частиц магнезии по размерам,
цифровая видеокамера;
полученное путем обработки снимков с
10 – штатив
оптического микроскопа. Большинство частиц
7
Таблица 1
Тепловые режимы эксперимента
№
п/п
Режим
нагрева
Время нагрева
h , с
Время охлаждения
c , с
Максимальная температура
Tc max , К
60
600
420
120
900
470
3
180
1200
500
4
60
600
500
120
900
580
180
1200
610
1
2
слабый
5
сильный
6
имели размер 6-10 мкм; при этом имелись крупные конгломераты частиц размером
порядка 100 мкм. Приведены оценки инерционности частиц-трассеров,
показывающие хорошую вовлекаемость последних в поток.
В третьей главе представлены результаты измерений пространственновременных полей температур подстилающей поверхности и воздуха, приводящих к
формированию тепловых концентрированных вихрей. Распределения температуры
по радиусу подстилающей поверхности для режима №6 при нагреве показаны на
рис.2. Некоторое снижение температуры в центральной области подстилающей
поверхности
( r  100 мм)
объясняется
конструкционными
особенностями
используемой газовой горелки. Вихри начинали образовываться в режиме нагрева
подстилающей поверхности при достижении температуры в ее центре значения
Tc  470 К. Самые крупные вихри генерировались при температурах в центре
поверхности Tc  570 К. Распределения температуры воздуха по радиусу
подстилающей поверхности Ta на расстоянии z  50 мм от нее при нагреве для
режима №6 показаны на рис.3. Отчетливо видно, что распределение температуры
воздуха неоднородно; максимальные градиенты температуры воздуха реализуются
в кольцевой области (150 мм  r  250 мм), там же, где реализуются и максимальные
1
550
2
500
3
450
4
400
5
340
Ta, K
T, K
600
1
2
3
4
5
320
300
350
300
280
250
0
100
200
300
r, мм
400
0
500
Рис.2. Зависимости температуры от
радиуса подстилающей поверхности и
времени при нагреве (режим №6):
1 –  h  0 ; 2 – 30 с; 3 – 60 с; 4 – 120 с; 5 – 180 с
100
200
300
r, мм
400
500
Рис.3. Зависимости температуры воздуха
от радиуса подстилающей поверхности и
времени при нагреве (режим №6); z  50 мм:
1 –  h  0 ; 2 – 30 с; 3 – 60 с; 4 – 120 с; 5 – 180 с
8
градиенты температуры подстилающей поверхности. В указанной области
преимущественным образом и происходила генерация вихревых структур.
Некоторое повышение температуры в периферийной области подстилающей
поверхности ( r  400 мм), объясняется, по-видимому, наличием восходящих потоков
теплого воздуха из-под листа вследствие работы газовой горелки
Количество наблюдаемых вихревых структур – до 10 за один эксперимент.
Максимальная длина траектории основания вихревых структур составляла 50-100
см при скорости перемещения 5-7 см/с. Таким образом, предельное время жизни
наблюдаемых вихрей составляло 10-20 с. Наибольшая высота генерируемых
вихревых структур достигала 1,5 м, а их максимальный диаметр – 0,3 м
Полученные распределения температур позволили провести оценки величины
безразмерного теплового критерия – числа Рэлея, определяющего соотношение
между силами плавучести и вязкости, для различных тепловых режимов (рис.4).
Данный критерий определялся следующим образом
g h3  T
,
Ra 
a
где g – ускорение свободного падения; h – характерный размер по вертикали, на
котором имеется разница температур;  – коэффициент объемного расширения;
T – разница температур, вызывающая конвекцию;  – коэффициент
кинематической вязкости; a – коэффициент температуропроводности. Для
выполнения оценок в качестве h принималось расстояние по вертикали от
подстилающей поверхности до значения z , на котором температура воздуха лишь
на 10 К превышает аналогичное значение в окружающей среде. Коэффициенты  ,
 и a брались для параметров окружающего воздуха.
Эксперименты
отчетливо
показали, что устойчивая генерация вихрей наблюдалась на всех
режимах за исключением режима
Ra  107
№1.
Число
Рэлея
соответствует некоторому минимальному значению, при котором
начинается образование вихрей.
Самые крупные вихри генерировались
при работе на режимах №5 и №6, что
соответствует Ra  109 . На рис.4 приведены две горизонтальные линии,
Рис.4. Зависимости числа Рэлея от времени для
соответствующие числам Рэлея
различных тепловых режимов:
Ra  107 и Ra  109 . С их помощью 1 – режим №1; 2 – №2; 3 – №3; 4 – №4; 5 – №5; 6 – №6
легко определить временные диапазоны существования относительно
9
мелких ( 107  Ra  109 ) и крупных ( Ra  109 ) вихревых структур для различных
тепловых режимов.
Использование частиц магнезии и частиц «дыма», а также лазерного ножа
позволило осуществлять визуализацию генерируемых над подстилающей
поверхностью вихревых структур, а применение видеосъемки – изучать их
поведение. На рис.5 приведены типичные кадры видеозаписи эксперимента по
визуализации вихря посредством частиц магнезии при работе на тепловом режиме
№6. Момент генерации вихревой структуры определялся по началу уноса частиц
магнезии с подстилающей поверхности. На приведенной фотографии отчетливо
виден воздушный вихрь, а также его сечение лазерным ножом в виде «кольца».
Отсутствие во внутренней полости частиц магнезии наглядно свидетельствует о
наличии в этой области нисходящего потока воздуха, при котором взвешивание
частиц-трассеров и их унос с подстилающей поверхности исключен.
(а)
(б)
Рис.5. Эксперимент по визуализации поперечного сечения воронки вихря (расстояние от
лазерного ножа до поверхности равно 300 мм):
1 – край подстилающей поверхности; 2 – след лазерного ножа на стене; 3 – воздушный вихрь; 4 –
сечение вихря лазерным ножом («глаз вихря»)
Выборочные кадры по визуализации вихря с помощью частиц дыма при
работе на тепловом режиме №3 показаны на рис.6. Наблюдаемое в экспериментах
развитие вихревых структур происходило следующим образом. Из-за вращения
воздуха возникает область пониженного давления, в которой собираются частицы
«дыма». Таким образом, сначала образуется вихревая нить. Ускорение вращения
такой воронки приводит к еще большему понижению давления в ее центре. Это
способствует проникновению в воронку холодного воздуха сверху, что приводит к
формированию внутренней полости вихря – «глаза вихря». По-видимому, в этой
области реализуется нисходящее движение холодного воздуха, проникающего
сверху. Скорость воздуха в этой области невелика, однако, давление там низкое.
Равновесие между градиентом давления и центробежной силой и формирует
внутреннюю полость. В стенке вихря реализуется восходящее движение воздуха,
характеризующееся высокими значениями скорости. Высокая скорость предопределяет
10
2
м
3
3
2
1
1
(б)
(а)
Рис.6. Типичные кадры с зафиксированной вихревой трубкой (дымовая визуализация):
а) – основная стадия; б) – конечная стадия (распад). Цифрами обозначены: 1 – край подстилающей
поверхности; 2 – «дым»; 3 – воздушный вихрь
наличие области низкого давления, способствующей вовлечению в нее очередных
порций теплого воздуха, находящегося вблизи подстилающей поверхности.
Покадровый анализ видеозаписей позволил получить информацию о
следующих параметрах воронки: максимальный диаметр воронки вихря достигал 610 см при толщине стенок 2-3 см; преимущественного направления вращения стенок
наблюдаемых вихрей (против или по часовой стрелке) обнаружено не было;
линейная скорость перемещения воронки вихря изменялась в диапазоне от 5 до 20
см/с; максимальная частота вращения воронки вихрей достигала 10-15 оборотов в
секунду. Наибольшая высота генерируемых вихревых структур достигала 1,5 м, а их
максимальный диаметр – 0,3 м. Предельное время жизни наблюдаемых вихрей
составляло 10-20 с.
В результате проведенных измерений методом цифровой трассерной
визуализации были получены поля скоростей концентрированных вихрей в
поперечных сечения на высотах от 50 до 200 мм над подстилающей поверхностью.
Пример измерений полей скоростей в поперечном сечении модельного
лабораторного вихря показан на рис.7.
При обобщении экспериментальных данных распределение тангенциальной
скорости u искалось в виде:
u 


k
1  exp(b  r 2 ) ,
r
где k, b – константы, определяемые на основании регрессионного анализа
экспериментальных
данных.
Результаты
измерений
по
распределению
тангенциальной скорости сравниваются с аналитические зависимости для вихря
Бюргерса и Рэнкина из условий равенства циркуляции Г  idem (рис.8).
11
(а)
Рис.7. Типичная картина мгновенных скоростей в
поперечном сечении воронки вихря ( z  200 мм):
а) – момент времени   0 ; б) –   0,8 с
Рис.8. Сопоставление экспериментальных данных с
аналитическими зависимостями
для распределения
тангенциальной скорости по радиусу (режим №6)
(б)
Теоретические и экспериментальные исследования вихревых потоков
отчетливо показывают, что их параметры в существенной степени зависят от
интенсивности (параметра) закрутки S. Анализ траекторий частиц магнезии
позволяет напрямую определять величину параметра закрутки:
ctg 
u
S,
uz
где u – тангенциальная (азимутальная) скорость; uz – осевая (вертикальная)
скорость;  – угол между вектором полной скорости и подстилающей поверхностью.
На рис.9 показан пример определения параметра закрутки по траекториям
частиц магнезии. Обработка аналогичных
кадров
позволила
определить,
что
параметр закрутки изменялся в диапазоне
S  0,5  2 , среднее значение для полученного распределения S  0,7 . Небольшие
значения
параметра
закрутки,
полученные в данной работе, говорят о Рис.9. Типичный кадр с зафиксированной
вихревой структурой. Время от момента
существенном превышении вертикальных
зарождения – 1,6 с, размер изображения –
составляющих скорости над танген220×176 мм. Расстояние от нижней границы
циальными составляющими в иссле- кадра до подстилающей поверхности равно
дуемых воздушных вихрях.
50 мм
12
При исследовании концентрированных вихрей различных масштабов
необходимо знать, какое влияние на их образование оказывает вращение Земли.
Важной мерой вращения является число Россби, которое записывается следующим
образом:
U
U
.
Ro 

f L 2 sin L
Здесь U и L – характерная скорость движения частиц-трассеров в вихре и
характерный пространственный масштаб, соответственно; f – параметр Кориолиса;
  7,3  105 с-1 – угловая скорость вращения Земли;  – географическая широта.
Из приведенного выше выражения очевиден физический смысл числа Россби,
определяющего соотношение между силой инерции (~ U 2 / L ) и силой Кориолиса
(~ U  ). В случае, если Ro  1, вращение Земли оказывает существенное влияние
на рассматриваемое явление. В другом предельном случае, Ro  1, влияния
вращения нет.
Для характерных значений скорости и пространственного масштаба
генерируемых лабораторных вихрей – U  O(1 м / с ) , L  O(0,1м ) число Россби
Ro  O(105 ) . Это свидетельствует о том, что преимущественного направления
вращения генерируемых лабораторных вихрей быть не должно (эксперименты
подтверждают этот вывод).
В четвертой главе предложен метод воздействия на вихревые образования,
заключающийся в расположении на их пути препятствий в виде вертикальных и
горизонтальных сеток различной геометрии. Вероятно, существует несколько
основных физических механизмов воздействия сетки на структуру вихря. Среди этих
механизмов – взаимодействие мелкомасштабной турбулентности, генерируемой за
сеткой, с крупномасштабной турбулентной структурой вихря; нарушение симметрии
вихря; вязкое трение вихря о сетку; акустическое влияние колебаний, идущих от
сетки.
Диаметр проволоки, из которой изготавливались используемые в качестве
препятствий сетки, выбирался таким образом, чтобы при ее обтекании происходила
генерация мелкомасштабной турбулентности:
d
Red 
.
U
Принимая Red  40  400 ,   15  10 6 м2/с, U  1 м/с, получаем d  0,0006  0,006 м.
В экспериментах в основном сетки с диаметром проволоки 0,6 – 2 мм.
В ходе подготовки к экспериментам были апробированы 3 варианта
расположения вертикальных сеток на подстилающей поверхности: 1) по окружности
определенного радиуса; 2) по некоторому сегменту определенного радиуса; 3) по
прямой, проходящей через всю подстилающую поверхность на некотором
расстоянии от ее центра. Подавляющее большинство экспериментов было
проведено с использованием третьего варианта расположения сеток. Сетки длиной
900 мм располагались на расстоянии 320 мм от центра подстилающей поверхности.
13
При изучении влияния вертикальных сеток на динамику свободных вихрей к
статистической обработке принимались только те вихревые образования, которые
удовлетворяли следующим требованиям: 1) их генерация осуществлялась в той
половине листа, в которой была установлена сетка; 2) движение основания вихря
осуществлялось в направлении сетки; 3) время жизни вихря и его видимая высота
составляли не менее 3 с и 0,2 м соответственно.
В результате проведенных исследований было выявлено шесть основных
вариантов поведения вихрей: 1) отчетливое перемещение вихря к сетке и его распад
вблизи сетки без ее пересечения; 2) движение вихря к сетке, его замедление (вплоть
до полной остановки) при приближении к ней и последующий распад; 3)
перемещение вихря к сетке с последующим изменением направления, движением
вдоль сетки (без ее пересечения) и последующим распадом; 4) движение вихря к
сетке и его отчетливый распад при ее пересечении; 5) перемещение вихря к сетке,
его распад на сетке с повторным зарождением вихря после сетки; 6) движение вихря
к сетке и ее пересечение, сопровождающееся изменением направления и
характеристик (его ослабление).
Выборочные кадры видеосъемки взаимодействия вихря с двумя
вертикальными сетками приведены на рис.10. Каждый из кадров соответствует
определенному моменту времени, отсчитываемому от зарождения вихревой
структуры (начала уноса частиц с подстилающей поверхности). На первой
фотографии (рис.10а) хорошо видно движение вихревой структуры справа налево и
приближение ее к первой из вертикальных сеток. На рис.10б вихрь начинает
пересекать первую сетку с некоторым притормаживанием. На следующем кадре
(рис.10в) видно, что центр основания вихревой структуры (впрочем, как и вся нижняя
часть воронки вихря) располагается между двумя сетками. Уширение и размытие
воронки вихря свидетельствуют в пользу его ослабления (снижение вертикальной
составляющей скорости воздуха в воронке). На следующем рисунке (рис.10г) виден
подхват (теперь уже между двух сеток) новой порции частиц магнезии с
поверхности. Вскоре происходит его ослабление (рис.10д) и распад (рис.10е).
Статистическая обработка полученных в ходе экспериментов видеозаписей
позволила
определить
вероятность
реализации
различных
вариантов
взаимодействия вихря с препятствием в виде сетки. Увеличение размера ячейки
сетки и уменьшение ее высоты приводили к росту вероятности пересечения сетки
вихрем и вероятности последующего зарождения после сетки. Горизонтальные
сетки показали меньшую эффективность по сравнению с вертикальными.
Анализ полученных результатов по взаимодействию модельных вихрей с
вертикальными сетками различной геометрии позволил предложить следующий
комплексный размерный параметр, учитывающий геометрию сетки, в виде
G
hd
,

где h – высота сетки, используемой в экспериментах; d – диаметр проволоки сетки;
 – размер ячейки.
14
(а)
(в)
(д)
(б)
(г)
(е)
Рис.10. Фотографии вихря при его последовательном взаимодействии с двумя
вертикальными сетками в разные моменты времени (режим №6, размер изображения:
600x470 мм); время от момента зарождения:
а) – 1,70 с, б) – 2,14 с, в) – 2,42 с, г) – 2,7 с, д) – 2,98 с, е) – 3,26 с. Цифрами обозначены: 1 –
вихрь, 2 – сетка №1 (G=0,0005 м), 3 – сетка №2 (G=0,0009 м)
В экспериментах использовались сетки с различными значениями геометрического
параметра – G  0,0005  0,01 м. Сетка с самым малым значением геометрического
параметра имела h  0,01 м, d  104 м и   2  10 3 м, а сетка с самым большим
параметром – h  0,06 м, d  2  10 3 м и   1, 2 102 м.
Энергия генерируемых в лаборатории вихрей (на единицу высоты)
определялась с использованием соотношения
2
 D 2 uzm
E
,
4 2
где  – плотность воздуха; D – диаметр воронки вихря; uzm – среднее интегральное
значение вертикальной составляющей скорости в воронке вихря.
Использование полевого измерителя скоростей «ПОЛИС» (ИТ СО РАН)
позволило провести измерения полей скорости и определить энергию модельных
вихрей, а также ее изменение по времени. Как показали специальные тестовые
измерения, средняя интегральная вертикальная составляющая скорости близка к
соответствующей азимутальной составляющей, т.е. uzm  u m . При этом допущении
погрешность определения энергии вихря находилась в пределах 50%. Среднее
интегральное значение азимутальной составляющей скорости определяется как
R
1
um   u (r ) dr ,
Ro
где r – расстояние от центра вихря; R – условный радиус воронки вихря
(расстояние от центра вихря, на котором значение скорости равно половине
15
максимальной скорости, u  u max 2 ); u (r ) – распределение тангенциальной
скорости в поперечном сечении воронки вихря.
При обработке данных величина энергии разрушенного вихря (на единицу
высоты) бралась как среднее интегральное значение за время его жизни

1 max
E
 E ( ) d ,
 max
o
где  – время;    max – время жизни вихря; E ( ) – зависимость энергии вихря от
времени.
Полученные
экспериментальные
данные по энергии модельных вихрей,
разрушаемых сеточными препятствиями
различной геометрии, показаны на
рис.11. Из рис.11 можно сделать
следующие выводы:
1) между комплексным геометрическим
параметром
сетки
и
энергией
разрушаемых
свободных вихрей
имеется однозначная связь;
2) рост геометрического параметра
приводит
к
росту
энергии
Рис. 11. Влияние комплексного
разрушаемых вихрей;
геометрического параметра сеточного
3) экстраполяция
результатов
заграждения на энергию разрушаемых
показывает,
что
сеточное
модельных вихрей:
заграждение с G  0,1 м может
1 – экспериментальные данные; 2 –
приводить к разрушению вихрей,
экстраполяция экспериментальных данных
имеющих энергию E  1000 Дж/м.
на вихри больших масштабов
В заключении сформулированы основные результаты работы:
1) продемонстрирована
принципиальная
возможность
физического
моделирования свободных концентрированных вихрей без использования
механических закручивающих устройств.
2) найдены величины температур и темпов нагрева подстилающей поверхности
и воздуха, а также их градиентов в горизонтальном и вертикальном
направлениях,
приводящих
к
устойчивой
генерации
тепловых
концентрированных вихрей различной интенсивности.
3) получены новые данные, касающиеся интегральных параметров (параметр
закрутки, направление вращения, время жизни, геометрические размеры,
частота вращения и др.) и некоторых особенностей динамики модельных вихрей.
4) предложен и апробирован метод воздействия на нестационарные вихревые
структуры, заключающийся в расположении на пути их распространения
препятствий в виде вертикальных или горизонтальных сеток.
16
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Горбачев М.А. Генерация однофазных и
гетерогенных свободных концентрированных вихрей при горении // Механика и наномеханика
структурно-сложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы. Материалы
всероссийская конференция, приуроченной к 20-летию ИПРИМ РАН. М.: Альянстрансатом.
2009. C. 60.
2. Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeitsev V.N., Gorbachev M.A. Tornado-like flows: experiments on
generation and stability // Proc. international heat transfer conference (IHTC14). Washington, USA.
2010. Paper IHTC14-22279. P.1-7.
3. Вараксин А.Ю., Горбачев М.А., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н. Визуализация свободных воздушных
концентрированных вихрей в лабораторных условиях // Труды V Российской национальной
конференции по теплообмену (РНКТ5). М.: Изд. дом МЭИ, 2010. Т.2. С.74-77.
4. Вараксин А.Ю., Горбачев М.А., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н. Физическая механика свободных
концентрированных тепловых вихрей // Сборник трудов VI школы-семинара «Аэрофизика и
физическая механика классических и квантовых систем» (АФМ-2010). 2010. 8 с.
5. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Горбачев М.А., Копейцев В.Н. Экспериментальное исследование
свободных концентрированных вихрей с целью интенсификации процессов гетерогенного
горения // Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред.
Тезисы докладов всероссийской конференции, приуроченной к 90-летию со дня рождения
академика И.Ф.Образцова. М.: ИПРИМ РАН, 2010. C. 54.
6. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Горбачев М.А. Моделирование свободных
тепловых вихрей: генерация, устойчивость, управление // ТВТ. 2010. Т.48. №6. С.965-972.
7. Горбачев М.А., Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н. Экспериментальное исследование
структуры свободных концентрированных вихрей // Труды XI международной научнотехнической конференции «Оптические методы исследования потоков» (ОМИП-2011) . М.: Изд.
дом МЭИ. 2011. Доклад №131. 10 с.
8. Вараксин А.Ю., Горбачев М.А., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н. Моделирование свободных
нестационарных концентрированных тепловых вихрей в лабораторных условиях // Труды IV
международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках».
2011. 10 с.
9. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Горбачев М.А. Метод воздействия на свободные
нестационарные воздушные вихри: физические основы и результаты экспериментов // Тезисы
докладов всероссийская конференция «Механика наноструктурированных материалов и
систем». М.: ИПРИМ РАН, 2011. C. 63.
10. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Горбачев М.А. Физическое моделирование
воздушных смерчей: некоторые безразмерные параметры // ТВТ. 2011. Т.49. №2. С.317-320.
11. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Горбачев М.А. Метод воздействия на свободные
нестационарные воздушные вихри: физические основы и результаты экспериментов // ТВТ.
2012. Т.50. №.4. С.533-537.
Горбачев М.А.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ГЕНЕРАЦИИ И УСТОЙЧИВОСТИ
ТЕПЛОВЫХ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВИХРЕЙ
Автореферат
Подписано в печать 25.04.2013
Формат 60×84/16
Печать офсетная
Уч.-изд.л. 1,0
Усл.печ.л. 0,93
Тираж 100 экз.
Заказ № 124
Бесплатно
ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр.2
17