Развитие конвективных течений и трансформация вихревых структур в потоке неоднородной жидкости тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Національна академія наук України Інститут гідромеханіки

ОЛЬІССЮК Віталій Володимирович

УДК 536.25

РОЗВИТОК КОНВЕКТИВНИХ ТЕЧІЙ ТА ТРАНСФОРМАЦІЯ ВИХРОВИХ СТРУКТУР У ПОТОЦІ НЕОДНОРІДНОЇ РІДИНИ

01.02.05 - Механіка рідини, газу та плазми

Автореферат на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті гідромеханіки НАН України

Науковий керівник: Доктор фіз.мат. наук

Нікішов Володимир Іванович,

Інститут гідромеханіки НАН України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти:

Член — кор. НАНУ, доктор технічних наук Савченко Юрій Миколайович

Інститут гідромеханіки НАН України, завідувач відділу

кандидат технічних наук Сребнюк Степан Михайлович, Полтавський Державний технічний університет, доцент кафедри гідравліки, водопостачання і водовідведення

НТУУ «Київський політехнічний інститут»

л

Провідна установа:

Захист відбудеться "£8" 'ПІ{{ОНЛ 2000 р. о /7 годині на засіданні спеціалізованої вченої рад/і Д26.196.01 при Інституті гідромеханіки НАН України за адресою: 03 680, м. Київ, вул. Желябова, 8/4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту гідромеханіки НАН України за адресою: 03 680, м. Київ, вул. Желябова, 8/4.

Автореферат розісланий “

2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.196.01

доктор технічних наук . / / Криль Стенан Іванович

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Шлях до рішення практичних задач, в коло яких входять розвиток енергетики, добування корисних копалин, високі хімічні технології, а також, екологічна безпека навколишнього середовища, лежить у вивченні фізичних механізмів, що керують тепломасообміном. Завдання такого ряду виникають при розробці нових технічних пристроїв і технологій, при вивченні процесів перемішування в океані. Характерною особливістю, яка об’єднує такі різні завдання є стратифікація середовища. Обумовлені стратифікацією сили плавучості можуть суттєво змінити плин обмінних процесів.

Актуальність теми. Незважаючи на численні спостереження, проведені в різноманітних районах океану, багато важливих особливостей процесів, які проходять в стратифікованому середовищі, особливо в області малих масштабів, залишаються недостатньо вивченими в експериментальному плані. Одним із таких питань є трансформація збурень температури в зсувному потоці рідини. Вивчення цієї проблеми важливо з погляду правильної інтерпретації експериментальної інформації про температурні характеристики стратифікованого середовища, одержуваної з носіїв, що рухаються. Вивчення цих же питань також важливо для з'ясовування розподілу температури в пограничному шарі на твердій поверхні. Вплив зсуву призводить до помітних викривлень початкового профілю температури, до його загострення, що необхідно враховувати при використанні оптичної апаратури, що зондує, при дослідженні характеристик пограничного шару.

Актуальним є також вивчення поеєдінки температурних збурень із погляду розвитку нестійкості. Нестійкі розподіли температури звичайно можуть виникати в потоках рідини в експериметальних установках, що мають потужні гідронасоси. При малих градієнтах розподілу температури, ними, як правило, нехтують, проте, їхній вплив на проходження процесів тепломасопереносу можуть виявитися суттєвими. Ці ж питання виникають і при вивченні рухів стратифікованої рідини в умовах океану.

Експериментальне вивчення відзначених вище задач може бути здійснене при використанні установок, у яких може бути створений потік рідини з керованою стратифікацією. З аналізу літератури випливає, що таких установок, у яких створюється потік стратифікованої рідини, існує обмежена кількість, що пов'язано, у першу чергу, із їхньою високою вартістю. Тому актуальною науковою задачею є розробка нової методики, що дозволяє створювати такі потоки. Важливою рисою запропонованої в роботі методики є відносна дешевина і можливість модернізації практично будь-якого гідравлічного лотка.

Багато питань, які пов'язані з вивченням руху неоднорідних, у тому числі, стратифікованих, середовищ потребують проведення експериментальних досліджень. Це обумовлено багатофакторністю досліджуваних явищ, необхідністю одержання експериментальної інформації для побудови відповідних теоретичних моделей. Аналогічна ситуація має місце і при вивченні поведінки областей концентрованої завихреності в потоці рідини. Задача значною мірою ускладнюється, якщо рідина є стратифі-кованою.

Вивчення поведінки зазначених областей має не тільки чисто теоретичний інтерес, але важливо і для практики. Достатньо вказати на проблему стійкості літаків при зльоті, коли вони потрапляють у слід літака, що раніше злетів. Відомо, що слід, як правило, являє собою вихрову пару достатньо великої інтенсивності і її вплив може призводити до катастрофічних наслідків. Можна також зазначити на використання вихрових кілець для інтенсифікації обмінних процесів у потоках рідини.

В даний час відома обмежена кількість робіт, у яких проведене дослідження поведінки вихрових кілець у стратифікованих середовищах. Робіт, присвячених вивченню розвитку кілець у зсувному потоці, також досить мало. У реальних умовах, як правило, потік рідини є зсувним. Крім того, часто є стратифікація середовища. У зв'язку з цим вивчення характеру розвитку вихрових кілець у зсувному потоці «ратифікованої рідини є актуальним. Вивчення особливостей взаємодії вихрових кілець із зсувним потоком, впливи масових сил (сил плавучості) на динаміку кілець дозволяє глибше зрозуміти основні механізми обміну маси та енергії між областю з локалізованою завихреністю й основнім потоком, дає можливість визначити характеристики вихрових структур, що може бути використане при розробці технічних пропозицій по керуванню потоком рідини, при створенні адекватних фізико - математичних моделей.

Зв'язок роботи з науковими темами. Робота виконувалася в рамках держбюджетної тематики відділу вихрових рухів Інституту гідромеханіки НАН України протягом ряду років - “Динаміка локалізованих збурень в складшсх стратифікованих середовищах” та “Моделювання процесів перемішування в реальних фізичних системах”. Основні результати були використані при проведенні таких госпрозрахункових робіт: г/д Е-37-86 від 15.12.86, г/д 19—10—125/89—2136/3ф від 07.03.89, г/д 2767/ЗфІ від 06.04.90.

Цілі дослідження. Цілями дослідження є розробка нової методики створення стратифікованого потоку рідини; проведення вимірів і аналіз характеристик розвитку температурних збурень та областей локалізованої завихреності як в зсувному потоці неоднорідної рідини, так і у вільному потоці.

з

Наукова новизна отриманих результатів. Новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше розроблена методика створення потоку рідини, температура якого може змінюватися в горизонтальному і вертикальному напрямку заданим чином. Характерною рисою розробленого методу є відносно недорога модернізація типових гідравлічних лотків, відсутність нерівномірності розподілу швидкості в потоці.

На основі математичної моделі розвитку конвекції в неоднорідному потоці рідини розроблена методика оцінки розміру викривлень розподілу температури при аналізі розвитку конвекції в горизонтально - неоднорідному потоці рідини.

При рішенні задачі про розвиток збурень в нестійко стратнфікова-ному середовищі, що має в’язкість і температуропровідність, побудована діаграма стійкості і знайдені екстремуми нейтральних кривих.

Показано, що має місце частотна залежність проникнення періодичних збурень і стрибкоподібних; змін температури всередину пограничного шару. Запропоновано розглядати частотнозалежну перехідну характеристику пограніїчкого шару рідини як частотну характеристику фільтра нижніх частот, отримана передавальна функція пограничного шару щодо збурень температури.

Знайдено, що існує оптимальний інтервал довжин слагів, коли вихрові кільця формуються в потоці рідини. Виявлено високочастотні ква-зіперіодичні зміни температури на відстані від ядра кільця при його вертикальному просуванні в стійко «ратифікованому по температурі середовищі, що супроводжують проходження вихрових кілець повз датчик температури. Виявлено ефект виникнення відокремлених хвиль у кільці при проходженні останнім області зсуву швидкості в потоці.

Пракггнчне значення отримаиих результатів. Практична значимість отриманих результатів полягає в розробці принципово нового методу створення потоку рідини з регульованими змінами температури у вертикальному і горизонтальному напрямках. Отримані з використанням розробленого методу дані про трансформацію температурних збурень у пограничному шарі, про фільтруючі властивості останнього необхідні при аналізі експериментальної інформації і мають важливе практичне значення.

Вперше проведені дослідження розвитку зон локалізованої завих-реності в зсувному потоці «ратифікованої рідини дозволили уточнити параметри вихрових кілець (частоту, інтенсивність і т.д.), використовуваних у процесах керування потоками рідини і показати, що взаємодія вихрових кілець із зсувним потоком може призводити до утворення двох відокремлених хвиль, що поширюються уздовж ядра кільця. Результати дослідження розвитку вихрових кілець у зсувному потоці стра-тифікованої рідини дозволили виробити ряд практичних рекомендацій

щодо використання таких кілець для керування характеристиками потоку.

Отримані результати були використані в Інституті гідромеханіки НАНУ й у ДКТБ згаданого Інституту за організації натурних експериментальних досліджень.

Особистий внесок автора. Особистий внесок автора можна характеризувати виходячи з аналізу поданого окремо (див. стор. 13 — списку публікацій по темі дисертації.

У роботах [1, 6, 8, 9], що відносяться до розробки методики створення течій неоднорідної рідини, автором запропоноване використання струмопровідних металевих сіток для нагрівання потоку рідини, проведений аналіз впливу частоти напруги живлення на виникнення негативного в даному випадку чинника - неминучої появи кисневих і водневих бульбашок через явище електролізу при проходженні електричного струму через рідину в міжсітковому просторі. Нікішовій О. Д. належить постановка проблеми, вона також запропонувала використовувати сітки різноманітної конфігурації для одержання заданої форми епюри температури в потоку. Травников А. Н. розробив технічне рішення для створення однорідного потоку перед нагрівачем.

У роботі [7] автор запропонував систему стабілізації рівня води в проміжному наливному баку. Стеценко О.Г. запропонував ідею використання плавучих щитів і повстяних фільтрів для наливу води. Нікішов В.

І. запропонував регульовану систему рівномірної подачі води до фільтрів.

У роботі [3] автор брав участь у проведенні розрахунків на ПЕОМ, запропонував метод оцінки ступеня перекручування початкової епюри температури. Постановка задачі, вибір методу розрахунку і проведення розрахунків зроблені Нікішовою О. Д.

У роботі [2] автор аналітично досліджував розвиток нестійкості, одержав умову мінімуму. Нікішову В. І. належить постановка задачі й аналіз результатів.

У роботах [4, 10,] автор запропонував використовувати метод багатоканальної реєстрації температури, брав участь в опрацюванні, аналізі й обговоренні результатів, запропонував трактувати пограничний шар як фільтр нижніх частот відносно збурень температури. Нікішовій О. Д. належить постановка задачі, участь в опрацюванні й інтерпретації результатів. Откаленко О. О. зробила аналіз порівняння теоретичних і експериментальних результатів. Нікішов В. І. запропонував методику опрацювання результатів дослідження розвитку ступінчатих збурень температури і брав участь в обговоренні результатів.

У роботах [5, 11, 12] автором запропонована електромеханічна схема керування процесом генерації вихрових кілець. Автор брав участь в опрацюванні, обговоренні й аналізі результатів. Нікішовій О. Д.

належить розробка способу створення зсувного стратифікованого потоку, запропонований спосіб імпульсної генерації вихрових кілець і участь в опрацюванні та аналізі результатів. Нікішову В. І. належить постановка задачі й участь в опрацюванні та аналізі результатів.

Апробація результатів дисертації. Отримані в дисертаційній роботі результати були подані на таких міжнародних і українських наукових конференціях і семінарах: Всесоюзна конференція "Проблемы стратифицированных течений"(Юрмала, 1988 г.); Тепломассообмен ММФ — 92, 2-й Минский международный форум (Минск, 1992 r.); Dynamics of localized disturbances in engineering flows: EUROMECH Colloquium 353 (Karlsruhe, 1996); EUROMECH:3rd European Fluid Mechanics Conference 1997 \\ (Goettingen, 1997); Прикладні проблеми рідини і газу: VIII міжнародна науково - технічної конференція вчених України, Росії, Білорусії (Севастополь, 1999). У повному обсязі дисертаційна робота обговорювалась на таких семінарах: Республіканський семінар по гідромеханіці № 140 під керівництвом академіка НАНУ Грінченка В. Т., м. Київ, Інститут гідромеханіки НАНУ, 11.07.2000 p.; Семінар № 38 відділу вихрових рухів Інституту гідромеханіки НАНУ, м. Київ, 01.03.2000 р. Частково дисертаційна робота обговорювалася на: Семінарі № 14 відділу вихрових рухів Інституту гідромеханіки НАНУ, м. Київ, 06.05.92 p.; Семінарі № 28 відділу вихрових рухів Інституту гідромеханіки НАНУ, м. Київ, 19.10.94 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 14 наукових робіт, з яких у авторефераті наведено список з 12 основних публікацій: 5 статей у спеціалізованих фахових журналах України з переліку затвердженого ВАК України [1] - [5]; 1 препринт [6]; 2 авторських свідоцтва [7], [8]; 4 тези доповідей на наукових конференціях та колоквіумі [9] - [12];

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, 4-х розділів, висновків та списку літератури. Загальний обсяг дисертації складає 19б сторінок і включає 114 сторінок основного машинописного тексту, 49 рисунків, 1 таблиця і 12 сторінок літератури (97 найменувань).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обговорено актуальність досліджуваної роботи, її зв’язок з науковими програмами, сформульовано мету дослідження, відзначено її наукову новизну та практичне значення, стисло сформульовано основні результати, одержані в дисертації.

У першому розділі у вступі дано огляд літератури з питання фізичного моделювання і створення стратифікації в рідині. Створення стратифікації в рідині є дуже важливою задачею, увагу до котрої привертали багато вчених, які займаються дослідами з тепломасообміну. Такі дослідники, як Стілінджер, Кларк, Кенеді, Пріч, Стокхаузен, Мер-

ріт, Болонов та інші створювали стратифікацію у потоці рідини методом змішування кількох потоків води різної температури на одному робочому участку гідродинамічного лотка. У всіх цих дослідах необхідно забезпечувати сталу стратифікацію з заданими градієнтами температури на протязі усієї серії дослідів.

У другому підрозділі запропоновано новий метод створеній «ратифікованого потоку рідини, який грунтується на нагріванні води, що протікає крізь металеві сітки, за подачі на них електричного струму. Згідно з законом Джоуля - Ленца, кількість тепла, яке іде на підігрів рідини пропорційна силі струму і часу , який рідка частина знаходиться у зазорі між сітками (тобто від швидкості потоку). Показано, що профіль температури рідини залежить від форми сіток. Так, якщо одна з сіток плоска, а інша має форму гіперболи, вертикальний профіль температури після нагрівана буде близьким до лінійного. Модифікація нагрівача шляхом покриття частини сіток електроізоляцією дозволяє отримувати шарову стратифікацію потоку рідини. Продемонстровано, що модулювання амплітуди електричного струму дозволяє створювати теплові неоднорідності вздовж потоку. Приведено результати дослідження впливу частоти електричного струму на виникнення електролізу і на потужність нагрівача.

У третьому підрозділі дається опис конструкції лотків. Показано, що з допомогою спеціальних карманів у голові лотка для розташування сіток можна запобігти створення застійних зон і завихрень у потоці на робочому участку лотка.

У четвертому підрозділі описано способи вимірювання температури у потоці для контролю створеної стратифікації а, також, способи контролю швидкості потоку, шоб підтримувати задані епюри швидкості і температури під час проведення дослідів у лотку.

У п ’ятому підрозділі (висновках) стисло ошісано можливості запропонованого методу створення стратифікації у потоці рідини - це створення вертикальної стратифікації з заданими параметрами і можливість отримання градієнтів температури вздовж по потоку. Вказується на високу ефективність запропонованого методу, його дешевизну у порівнянні з багатоконтурними установками для створення «ратифікованого потоку, унікальність у створенні теплових неоднорідностей уздовж по потоку, практична безінерційність та стабільність і повторність додержання заданих параметрів стратифікації у часі. Лотки, в яких створювалась стратифікація мають ширину 40 та 33 см., глибина до 70 см. Максимально отриманий перепад температур при створенні вертикальної слоїстої стратифікації був 0.4 °С. Напруга на сітках була 120 - 190 В, струм до 15 А, частота струму до 6 кГц.

У другому розділі у вступі розглядається розвиток конвекції у горизонтально неоднорідному потоці рідини скінченої глибини та стій-

кість стаціонарного стану «ратифікованої рідини з несталим профілем температури до окремих збурень, вступі дається огляд літератури з питань виникнення і розвитку конвекції у неоднорідних середовищах під впливом сил тяжіння у тих випадках, коли є граничні поверхні. .

У другому підрозділі показано перетворення загальної системи рівнянь руху Нав’є — Стокса, нерозривності, переносу температури та стану середовища (2.1 - 2.6) в систему рівнянь руху в приближенні Буссі-неска, переносу температури і стану середовища. Лінеаризовані рівняння Нав’є - Стокса у приближенні Буссінеска та рівняння стану середовища, переносу температури та нестискуваності далі були використані для аналізу руху неоднорідної рідини.

У третьому підрозділі проведено математичне моделювання розвитку конвекції у горизонтально - неодноріднім потоці рідини скінченої глибини у випадку, коли температура в каналі змінюється вздовж вісі х по періодичному закону. Дана методика оцінки викривлень епюри температури у часі за допомогою інтегрального коефіцієнта викривлення у, який є різницею по модулю амплітуди синусоїди до вирахуваної кінцево - різницевім явним по часу методом рішення двовимірної лінеарізованої системи рівнянь Нав’є - Стокса у приближенні Буссінеска. Отримано графіки розподілу температури та її викривлень у часі і у просторі.

У четвертому підрозділі розглядається стійкість стаціонарного стану нескінченого стратифікованого в’язкого та теплопровідного середовища. Після математичних перетворень отримано рівняння, що описує поведінку вертикальної компоненти швидкості. В результаті розв’язання рівняння показано, що в залежності від горизонтальних розмірів збурення та параметрів стратифікації в рідині існують стійкі збурення, які обумовлені дією в’язкості та температуропровідності. Знайдено нейтральні криві, знайдено умову існування мінімуму цих кривих, знайдено нейтральну площину сукупності збурень, що не розвиваються.

У висновках даються у скороченому вигляді основні результати. Розроблена схема розрахунків дозволяє вираховувати картину конвек-тивних течій, що породжені неоднорідністю розподілу температури уздовж потоку скінченої глибини. Для оцінки викривлень розподілу температури покладено вживати інтегральний критерій у, який характеризує відхилення розподілу температури по довжині хвилі від первинного синусоїдального розподілу.

1. В результаті аналізу стійкості рідини з від’ємним градієнтом температури, показано, що є збурення, котрі не ростуть.

2. Отримано характерні особливості нейтральної поверхні і виявлено, що при фіксованому значенні одного з горизонтальних параметрів збурень, крива стійкості може мати мінімум. Зазначена умова існування цього мінімуму.

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням процесів тепломасообміну у ламінарному пограничному шарі.

У введенні дається огляд стану досліджень в області розвитку процесів тепломасопереносу в області течій за наявності зсуву швидкостей, де під дією зсуву виникає деформація скалярних полів, що суттєво змінює їх градієнти.

У другому підрозділі висвітлюється, як провадились експериментальні досліди процесу теплопереносу у ламінарному пограничному шарі, описується методика вимірювань і досліджень, які провадились на швидкості потоку 1,6 см/сек за максимальних перепадах температури у вільному потоці 0.2 °С .

У третьому підрозділі описується експеримент з стрибкоподібним розподілом температури у зовнішньому вільному потоці і як цей стрибок температури заглиблюється у пограничний шар, створений на поверхні горизонтально розташованої пластини, яка знаходиться в ядрі потоку лотка. Температурний стрибок створювався миттєвим поданням напруги на водонагрівачі. Аналіз записів на стрічці 8-канального самописця показав різке зменшення крутизни переднього фронту теплового стрибка у порівнянні з крутизною цього фронту у вільному потоці. Заміри провадились у пограничному шарі пластини на відстанях 20 і 100 см від передньої кромки пластини.

У четвертому підрозділі зроблено аналіз даних, який показав, що за плином часу мають місце зміни профілю температури. На основі отриманих даних було збудовано криві, які характеризують виникнення вертикальної компоненти градієнта температури, тобто отримано криві розподілу градієнтів температури у пограничному шарі пластини, причому-вертикальна -компонента характеризується високими градієнтами________

температури. Продемонстровано виникнення високоградієнтних прошарків.

У п’ятому підроздічі описано результати експерименту по дослідженню проникнення періодичних теплових неоднорідностей різної довжини у пограничний шар пластини. Заміри провадились на відстані ЗО см від передньої кромки иластини за швидкості вільного потоку 1.6 см/сек. Довжина хвилі Л по відношенню до товщини пограничного шару 5у місці вимірювань була: X /5= 15 та Л /8=46. Теплові неоднорідності створювались тим, що на водорезистивні нагрівачі подавалась напруга, яку модулювали по амплітуді по синусоїді з різню частотою. Знайдено, що пограничний шар має властивості фільтру нижніх частот, тобто збурення з малою довжиною хвилі не просуваються вглиб пограничного шару і затухають не доходячи до поверхні пластини, а збурення з більшою довжиною хвилі досягають площини пластини. В погранич-иому шарі формуються високоградієнтні прошарки в залежності від фаз

14.0 14.1

періодичних збурень (мал.1). Передавальна функція пограничного шару дана на мал. 2.

Висновки: в області пограничного шару має місце суттєва деформація скалярного поля і при цьому виникає вертикальна компонента градієнта цього поля (формуються високоградієнтні прошарки), а, також пограничний шар має властивості фільтра нижніх частот для теплових неоднорідностей у вільному потоці.

У четвертому розділі доповідається про експериментальні дослідження поведінки вихрових кілець у зсувному потоці страгифікованої рідини.

Мал. 1.

У вступі дається грунтовний огляд і аналіз робіт з приводу вивчення поведінки вихрових структур усіх відомих авторів, знаних як спеціалістів в цій галузі - Максуорсі, Делізі, Чанга, Вакілі, Коп’йова та інших за останні десятиріччя .

У другому підрозділі детально описано установку для генерації вихрових кілець, пояснено функціонування складових частин. Кільця створювались методом впорскування рідини крізь трубку з соплом діаметром 8 мм, зріз котрого було розташовано на відстані 12 см по вертикалі від фальшдна.

У третьому підрозділі розглядається розвиток кілець у беззсувному потоці однорідної рідини. Отримано опти-Мал. 2 мальний діапазон довжин слагів (об’ємів)

вприскування рідини для створення сталих кілець, підтверджено дієвість формули Максуорсі по визначенню швидкості підйому кілець у часі.

У четвертому підрозділі дається опис поведінки кілець при проведенні дослідів у зсувному потоці рідини. Зареєстровано виникнення двох відокремлених хвиль (див. мал. 3) на ядрі вихрового кільця при проходженні останнім зони зсуву. Ці хвилі просуваються уздовж ядра вихрового кільця одна назустріч другій, потім має місце взаємопроникнення хвиль одна крізь другу і подальший рух хвиль по кільцю. Помічено, що після проходження зсуву також має місце розкидання траєкторій вихрових кілець, що може бути пояснено виникненням відокремлених хвиль при якому іде інтенсивне переміщення маси у об’ємі кільця і тому кільце “хитається ” на траєкторії. Запропоновано механізм виникнення

У/2

0.6

0.4

0.2

0.2

0.6

1.0

описаних збурень кінцевої амплітуди, дія котрого у двомірному випадку . призводить до трансформації вихрової пари в один вихор (Делізі).

У п’ятому підрозділі описано результати дослідів, які проводились у стратифікованому і зсувному потоці. Виявлено, що стратифікація “гальмує” посування вихрового кільця, тим самим зменшує “далекобійність” генератора вихрових кілець для різних довжин слагів (див. мал. 4, де суцільні криві відносяться до нестратифікова-Мал.З ного, а пунктирні до стратифікованого пото-

ку). Приведено результати температурних вимірювань всередині і ззовні вихрового кільця. Відмічено, що за рахунок малого тепло- і масообміну ядра кільця із зовнішнім потоком, температура в ядрі відрізняється від

температури в оточуючому середовищі. Знайдено, що квазіперіодичні збурення температури із високою частотою, порівняно з періодом плавучості, виникають на віддалі від кільця, коли воно рухається в стало стратифікованому потоці рідини.

У висновках проведено аналіз поведінки вихрових кілець у зсувному стратифікованому потоці, просто зсувному і окремо стратифікованому та у вільнім потоці. Показано, що існує оптимальний інтервал дов-

40

ЗО

20

10

10 15 20 25

х/о0

жин слапв, коли вихрові кільця формуються Мал. 4 в потоці рідини. Відмічено виникнення теп-

лових коливань на відстані від кільця при проходженні ним зони стратифікації, причому частота зареєстрованих коливань значно перевищує розраховану частоту Брента - Вяйсяля для стану потоку рідини, у котрому провадились досліди.

ВИСНОВКИ

В даний час на підставі наявної інформації, можна прийти до таких висновків про стан питання, яке підняте у даній роботі.

1. Фізичному моделюванню потоків стратифікованої рідини присвячена достатньо велика кількість робіт , наприклад, Болонова, Меррі-та, Стіллінджера і Ван Ати [7, 8, 9] і ін., у яких основна увага виділена одержанню потоку з вертикальним розподілом температури (солоності). Використання установок, створених по описаним у цих роботах методиках, дозволило вивчити ряд важливих питань розвитку обурень у таких потоках. Слід зазначити дорожнечу створених експериментальних уста-

новок, наявність нерівномірності єгпорії швидкості, для зменшення якої автори змушені були застосувати спеціальні заходи. У даній роботі розроблений і впроваджений метод створення потоку неоднорідної рідини. Використання методу дозволяє одержувати плавну і стрибкоподібну стратифікацію потоку з заданою формою розподілу температури у вертикальному напрямку, а, також, створювати неоднорідні розподіли температури по горизонталі. Використання одноконтурної системи дозволило істотно знизити витрати на створення й експлуатацію установки. Мала інерційність і можливість одержання заданих форм розподілів температури рідини дозволяє істотно підвищити ефективність використання установок розробленого типу.

2. Проведено математичне моделювання розвитку конвекції в горизонтально неоднорідному потоці рідини кінцевої глибини. Розглянуто випадок періодичних неоднорідностей. На основі отриманих результатів запропонована методика оцінки ступеня порушення розподілу температури в потоку шляхом введення інтегрального параметра у, що характеризує відхилення розподілу температури від синусоїдального по довжині хвилі. Дана методика дозволяє робити оцінку довжини робочої ділянки з мінімальними спотвореннями початкового розподілу температури,

3. На основі рівнянь Нав’є - Стокса в наближенні Бусінеска проведений лінійний аналіз впливу в’язкості і температуропровідності на розвиток тривимірних збурень у рідині з нестійкою стратифікацією. Побудовано діаграми сталості збурень, знайдені умови існування мінімуму кривих сталості. Показано, що відомі результати, отримані в роботі Ніцше і Красні [23] для двомірних збурень, випливають із поданих як окремий випадок.

4. На основі експериментальних досліджень розвитку періодичних і східчастих збурень температури в ламінарному пограничному шарі показано, що деформаційна перебудова поля температури, обумовлена зсувом швидкості, є причиною того, що пограничяий шар набуває час-тотнозалежних властивостей типу фільтра низьких частот, тобто глибина проникнення температурних збурень усередину пограничного шару залежить від довжини хвилі збурень. Побудовано передавальну характеристику пограничного шару для періодичних збурень температури потоку рідини. Показано, що в пограничному шарі в залежності від параметрів збурень можуть виникати прошарки рідини з високими градієнтами температури (високоградієнтні прошарки).Теоретичні розрахунки, подані в роботі Откаленко [47], добре узгоджуються з даними виконаного експерименту. Відзначений механізм формування таких прошарків, під впливом зсуву швидкості, є, мабуть основною причиною виникнення високоградієнтних прошарків, що спостерігалися в слідах за сферою, яка обтікалася потоком стратифікованої рідини (Чашечкін, [43]).

5. Вивченню розвитку вихрових кілець у нерухомій рідині присвячена велика кількість робіт, достатньо повний огляд яких зроблений Шарифом і Леонардом [63]. У потоках рідини поведінка вихрових кілець вивчалася Чангом і Вакілі [55], Джохарі, Пачеко і Германзоном [57] і ін. У даній роботі показано, що існує оптимальний інтервал довжин слагів, коли вихрові кільця формуються в потоці рідини.

6. Показано, що вплив сил плавучості призводить до зменшення швидкості підйому вихрового кільця, що рухається в стратифікованому потоці рідини, що узгоджується з результатами Максуорсі [66, 67], який вивчав розвиток вихрових кілець у нерухомому стратифікованому середовищі.

7. Виявлено, що на відстані від кільця, що рухається в стратифікованому потоці рідини виникають високочастотні збурення температури, частота котрих істотно вище частоти плавучості.

8. Основні результати, подані в роботі, отримані шляхом теоретичного й експериментального дослідження розвитку конвективних течій і трансформації вихрових структур у потоку неоднорідної рідини.

9. Практична значимість отриманих результатів полягає в розробці принципово нового методу створення штоку рідини з регульованими змінами температури у вертикальному і горизонтальному напрямках.

Результати дослідження розвитку вихрових кілець в зсувному потоці стратифікованої рідини дозволили виробити ряд практичних рекомендацій щодо використання таких кілець для керування характеристиками потоку. Його використання дозволяє зробити істотно дешевшим створення експериментальних установок і підвищити ефективність їхньої експлуатації.

Важливе практичне значетгня мають результати досліджень розвит-------

ку температурних збурень у ламінарному пограничному шарі, дані про фільтруючу здатність яких необхідно враховувати при проведенні лабораторних і натурних досліджень.

10. Достовірність отриманих результатів забезпечувалась коректністю постановок задач і використанням надійних, перевірених часом наближень і методів розрахунків та узгодженням розв’язків тестових задач з відомими. Достовірність апаратних вимірювань базувалась на періодичному калібруванні і тарируванні приладів, які використовувались у дослідах.

11.Отримані результати були використані в Інституті гідромеханіки НАНУ й у ДКТБ згаданого Інституту при організації натурних експериментальних досліджень.

Список публікацій.

1. Никишова О. Д., Олексюк В. В. Новый метод получения тепловой стратификации в потоке жидкости // Бионика.—1993.— № 26,— С. 89 - 92.

2. Nikishov V. I., Oleksiuk V. V. On stabilty of stationary stratified fluid // Доповіді HAH України.—1995.— №11.— С. 52 - 54.

3. Никишова О. Д., Олексюк В. В. Развитие конвекции в горизонтально неоднородном потоке жидкости конечной глубины // Прикладна гідромеханіка.— 1999. - Т. 1 (73), № 2.— С. 32 - 37.

4. Никишова О.Д., Никишов В.И., Олексюк В.В. Нестационарный конвективный теплоперенос в пограничном слое неоднородной жидкости// Прикладна гідромеханіка.—1999.—Т. 1 (73), № 3.— С. 24 -31.

5. Никишова О.Д., Никишов В.И., Олексюк В.В. Экспериментальные исследования влияния сдвиговых стратифицированных течений на развитие вихревых колец // Прикладна гідромеханіка.— 2000. - Т. 2 (74), №3 .-С. 115-116.

6. A.c. 1665245 СРСР, МКИ G 01 М 10/00, F 15 D 1/02. Устройство для ссоздания непрерывно стратифицированного потока води / О. Д. Никишова, В. В. Олексюк, А. Н. Травников (СРСР).—№ 4655950/29; Заявлено 28.02.8; Опубл. 23.07.91, Бюл. № 27.

7. A.c. 1775645 СРСР, МКИ G 01 N 21/03 .Устройство для создания жидкостной стратификации в экспериментальном лотке / В. И. Никишов, В. В. Олексюк, А. Г. Стеценко (СРСР).— № 4858017/26; Заявлено 06.08.90; Опубл. 15.11.92, Бюл. № 12.

8. Никишова О. Д., Олексюк В. В. Методы созданияя

стратификации в потоке жидкости II Препринт № 1, Ин-т

гидромеханики АН УРСР.—Киев.—1991.— 15 с.

9. Никишова О. Д., Олексюк В. В., Травников А. Н. Лабораторное моделирование многослойного стратифицированного потока воды // Материалы всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" (Юрмала, 14-18 ноября 1988 г.). - Т. 2 . - Саласпилс: Інститут физики АНЛатв. ССР .— 1988 . - С. 166-169.

10. Никишова О. Д., Откаленко О. О., Олексюк В. В. О нестационарном конвективном теплопереносе в пограничном слое неоднородной жидкости // Тепломассообмен ММФ - 92, 2-й Минський международный форум (18 - 22 мая 1992), Том 1, ч. 2, Конвективный тепломассообмен.— Минск.— 1992.— С. 104 - 107.

11. Nikishov V. I., Oleksiuk V. V. On the development of vortex rings in shear and stratified flows // Dynamics of localized disturbances in engineering flows: EUROMECH Colloquium 353, April 01 - 03, 1996 . -Karlsruhe: Universität Karlsruhe Verlag. - 1996 . - P. 51.

12. Nikishov V. I., Nikishova О. D., Oleksiuk V. V. Effects of shear flow and stratification on the development of vortex rings // EUROMECH: 3rd European Fluid Mechanics Conférence, 15-18 September 1997 .— Geottingen: Georg - August - Univ. Yerlag,. —1997 . - P. 258.

АННОТАЦИЯ

Олексюк В. В. Развитие конвективных течений и трансформация вихревых структур в потоке неоднородной жидкости.— Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы.— Институт гидромеханики Национальной академии наук Украины, Киев, 2000.

Описан новый метод получения стратифицированного но температуре потока с помощью омического водорезистивного нагрева жидкости, осуществляемого посредством установленных перпендикулярно потоку в лотке мелкоячеистых сеток из электропроводящего материала, к которым подключены специальные блоки питания. Изменение форм сеток позволяет получать заданные распределения температуры по вертикали. Путем модуляции амплитуды напряжения, подаваемого на сетки, в потоке могут быть созданы температурные неоднородности вдоль по потку.

Высокая повторяемость и стабильность полученных результатов, а также, возможность получения потока с заданной и управляемой стратификацией позволяют сделать вывод, что данная методика может найти широкое применение в лабораториях и исследовательских центрах, занимающихся различными физическими исследованиями с потоком ^жидкости:

Проведено математическое моделирование развития конвекции в горизонтально неоднородном потоке жидкости конечной глубины в случае, когда температура в канале изменяется вдоль оси л: по периодическому закону. Показано, что в потоке возникают конвективные течения, которые могут приводить к существенному искажению первоначального профиля температуры. Разработана методика оценки степени искажения профиля температуры в зависимости от параметров потока и определения длины начального участка, на котором эти искажения незначительны. Приведены результаты конкретных расчетов.

При анализе устойчивости к малым возмущениям неограниченных стратифицированных сред с неустойчивым профилем температуры, обладающих вязкостью и температуропроводностью, показано, что существует предельное значение градиента температуры, при котором возмущения являются устойчивыми. Получены зависимости, описывающие параметры нейтральных возмущений. Найден характерный горизонтальный масштаб возмущений, определяющий существование ло-

кального минимума кривых нейтральной устойчивости и построены кривые нейтральной поверхности.

Приведены результаты экспериментальных исследований трансформации поля температуры в ламинарном пограничном слое на плоской пластины при обтекании ее потоком горизонтально неоднородной жидкости. Изучены два типа распределений температуры во внешнем потоке: скачкообразное и периодическое. Показано, что под действием сдвига скорости в пограничном слое происходит поворот изотерм и возникает вертикальная составляющая градиента температуры. Получены экспериментальные данные, характеризующие зависимость распределения амплитуды возмущений по толщине пограничного слоя. Обнаружено, что глубина проникновення возмущений температуры зависит от их длины волны. Продемонстрирована фильтрующая способность пограничного слоя, в котором обнаружено формирование тонких прослоек с высокими градиентами температуры (высокоградиентные прослойки).

Приведены результаты экспериментальных исследований трансформации вихревых структур (вихревых колец) в ламинарном сдвиговом стратифицированном потоке жидкости. Показано, что стратификация приводит к уменьшению высоты подъема вихревого кольца при эжекции кольца вертикально вверх поперек потока. Установлено, что поведение колец в сдвиговом потоке резко отличается от поведения колец в неподвижной жидкости. Обнаружено, что две уединенные волны, которые двигаются вдоль ядра кольца навстречу друг другу, возникают под влиянием сдвига. Это приводит к разбросу траектории колец. Зафиксированы температурные осцилляции вдали от вихревого кольца, которое проходит участок с вертикальным градиентом температуры.

Ключевые слова: стратифицированная жидкость, сдвиговый поток, пограничный слой, конвективные течения, вихревые кольца.

АНОТАЦІЯ

Олексюк В. В. Розвиток конвективних течій і трансформація вихрових структур у потоці неоднорідної рідини,- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 01.02.05 - механіка рідини, газу і плазми,- Інститут гідромеханіки Національної академії наук України, Київ,2000.

Описаний новий метод створення стратифікованого по температурі потоку рідини, а також генерації температурних неоднорідностей вздовж потоку. Розроблено методику оцінки спотворень профілю температури в потоці під впливом конвекції. Знайдено характерний масштаб стійких збурень для стратифікованого нескінченного середовища з нестійким профілем температури, знайдено мінімум кривих нейтральної стійкості.

Показано, що трансформація поля температури в ламінарному пограничному шарі на пластині, що обтіпається потоком горизонтально неоднорідної рідини, призводить до виникнення вертикального градієнту температури. Виявлено фільтруючу спроможність пограничного шару, в якому зареєстровано появу високоградієнтних прошарків. Проведено аналіз впливу зсуву швидкості і стратифікації на швидкість підйому вихрових кілець. На ядрах вихрових кілець виявлено появу двох відокремлених хвиль при проходженні зони зсуву і виникнення температурних осциляції! на віддалі від вихрового кільця при проходженні ним ділянок із вертикальним градієнтом температури.

Ключові слова: стратифікована рідина, зсувний потік, пограничний шар, конвективні течії, вихрові кільця.

ABSTRACT

Oleksiuk V. V. The development of convection currents and transformation of vortical structures in flow of inhomogeneous fluid (manuscript).

Thesis for a Candidate of Technical Sciences by Dissertation, specialty 01.02.05 - mechanics of fluid, gas and plasma. - Institute of Hydromechanics of NAS of the Ukraine, Kyiv, 2000.

New method of the creation of temperature stratified flow and the generation of the horizontal inhomogeneities is described. The methodology of the estimation of the temperature profile distortions in flow under convection influence is developed. The characteristic scale of stable disturbances of infinite unstable stratified medium is found, the minimum of the neutral curve is determined.

It is shown that the transformation of the temperature field in a laminar boundary layer over flat plate that is flowed by horizontally inhomogeneous fluid results in the formation of the vertical gradient of temperature. The filtering properties of boundary layer are revealed. The formation of the highgradient interlayers is detected in it. The analysis of the influence of shear velocity and stratification on the rate of vortex ring rise is fulfilled. The arising of two solitary waves on the core of vortex ring that travels through region with shear flow is showed. It is found that temperature oscillations are generated away from vortex ring when it goes through the region with vertical gradient of temperature.

Key words: stratified fluid, shear flow, boundary layer, convection current, vortical rings.