Динамика вязких циркуляционных течений в трубах и поверхностных воронках (19.07.2010)

Автор: Зуйков Андрей Львович

, (49’)

В завершении главы выполнена верификация математической модели циркуляционного течения в поверхностной вихревой воронке и условий ее прорыва в напорный водовод, показавшая, что расчеты хорошо соответствуют эмпирическим данным.

раз по отношению к ее значению по правилу Фруда.

В приложении дан аналитический обзор работ по прикладной механике циркуляционных течений, обсуждается современное состояние проблемы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Обзор современного состояния гидравлики циркуляционных течений позволяет сделать вывод, что любое вязкое циркуляционное течение является комбинацией «свободного» (потенциального) и «вынужденного» (твердого) вихрей. Причем трансформация циркуляционно-продольного течения за локальным завихрителем по длине цилиндрической трубы происходит путем перераспределения его потенциальной и вихревой составляющих в пользу последней, в результате чего закрученный на входе в трубу поток по мере продвижения по аксиальной координате приобретает квазитвердое вращение, характеризующее стадию вырождения циркуляции.

Разработанная в диссертации на основе модели Тейлора математическая модель установившегося циркуляционно-продольного течения в цилиндрической трубе за локальным завихрителем, включающая компоненты молекулярных и турбулентных напряжений, позволяет получить аналитические решения, описывающие радиально-аксиальное распределение структурных характеристик течения, а также проследить динамику их изменения в зависимости от начальной циркуляции и числа Рейнольдса.

, то есть радиальными пульсациями скоростей.

Циркуляционно-продольный поток по длине трубы в силу диссипации механической энергии за счет вязкого трения и турбулентной диффузии формируется в течение со сложным «свободно-вынужденным вращением», описываемым разложением Фурье-Бесселя при ламинарном течении или законом, близким к «вихрю Бюргерса» - при турбулентном, при этом аксиальное падение азимутальных скоростей определяется экспоненциальной функцией. Придание продольно-осевому течению закрутки приводит к фундаментальной трансформации радиально-аксиального распределения продольных скоростей в нем; таким образом, продольная составляющая в циркуляционно-продольном течении приобретает свойства зависимого от распределения азимутальных скоростей вторичного течения. Радиальные профили осевых скоростей и их трансформации по длине трубы описываются произведениями рядов Фурье-Бесселя для ламинарного течения и интегральными показательными функциями для турбулентного потока.

Для циркуляционно-продольных течений сплошной среды характерно наличие возвратных токов в центральной приосевой зоне на участке, примыкающем к началу трубы, при этом возвратное приосевое течение формирует вокруг себя рециркуляционную зону; в потоках с вихревым жгутом область с возвратным течением и рециркуляционная зона отсутствуют. Для сплошных течений также характерно резкое нарастание положительных осевых скоростей в кольцевой зоне, непосредственно охватывающей область обратных токов, здесь имеет место поддерживающий баланс масс скачок осевых скоростей, не успевающий распространиться на более далекие от области возвратного течения периферийные слои; явление можно характеризовать как инициированную возвратным приосевым течением инерционную волну, концентрично расходящуюся от оси к стенкам водовода и затухающую по их достижении.

. Завихренность, генерируемая в приосевой зоне и имеющая на входе в проточный канал максимальное значение, распространяется с продвижением потока по аксиальной координате на все более обширную область, но подавляется, и периферийных слоев ближе к стенкам трубы или слоев на значительном удалении от входа достигает значительно ослабленной; генерирование вихрей в ламинарном течении происходит также вблизи твердых поверхностей, однако пристенные вихри на порядок менее значимы, чем внутренние.

Установлено, что концентрация значительных касательных и нормальных напряжений в циркуляционно-продольном течении имеет место на начальном участке трубы в приосевой зоне потока, здесь наблюдаются максимальные радиальные и аксиальные градиенты всех компонент скорости, здесь поток теряет наиболее существенную часть своей энергии.

в области вихревого шнура.

. При этом условие, определяющее предотвращение прорыва воздушного жгута вихревой воронки через устье глубинного водоприемного отверстия в напорный водовод, выражается неравенством

раз по отношению к ее значению по правилу Фруда.

Изложенные в диссертационной работе математические модели циркуляционно-продольного течения в трубе и в поверхностной вихревой воронке прошли верификационную проверку по эмпирическим данным, полученным разными авторами. Верификационная проверка показала возможность применения этих моделей в инженерной практике и подтвердила универсальность полученных решений, позволяющую использовать их при оптимизации структуры циркуляционно-продольных течений в соответствии с технологическими требованиями, или оптимизации параметров устройств и сооружений в любых областях техники, где целесообразно применение закрученных потоков жидкости, а также при прогнозировании прорыва воронок в напорные водоводы гидротехнических сооружений.

, повышением этого градиента достигается эффект нарастания турбулентных напряжений, понижением его - эффект подавления турбулентности. Способность целенаправленно моделировать структуру течения достигается с помощью локального осевого лопастного завихрителя, ибо его направляющие лопасти могут быть спрофилированы вдоль радиуса любым необходимым образом.

Выполненные с использованием лазерных доплеровских измерителей скорости и термоанемометрической аппаратуры исследования турбулентной структуры сдвигового течения при взаимодействии спутных коаксиальных потоков со встречной циркуляцией позволили составить физическое описание картины течения, которое сводится к следующему: в месте объединения коаксиальных противоположно закрученных потоков наблюдается высокий градиент угловых скоростей вдоль текущего радиуса, практически стремящийся к бесконечности в сдвиговом слое на границе макровихрей; это приводит к появлению здесь вторичных вихрей, которые, в свою очередь, генерируют вихри следующего порядка малости и т.д.; таким образом, механическая энергия переходит от начального течения коаксиальных закрученных потоков к вихрям все более мелкого масштаба, пока в результате работы, совершаемой против сил вязкого трения, не преобразуется в тепловую; процесс передачи энергии к меньшим масштабам, называемый энергетическим вихревым каскадом, характеризуется исключительно высокой интенсивностью; генерирование вторичных и последующих вихрей с орбитальными скоростями, равными окружным скоростям входящих во взаимодействие противоположно закрученных потоков, определяет скорость радиального массо- и энергопереноса.

Показано, что степень турбулентности циркуляционного течения определяется соотношением в нем «свободного» и «вынужденного» вихрей; чем более поток соответствует течению с вращением по «твердому телу», тем ниже степень его турбулентности, на этом эффекте основана технология подавления турбулентности в циркуляционном потоке (технология «Око тайфуна»); показано, что технология подавления турбулентности весьма эффективна при гидроциклонной сепарации из воды мелкодисперсных примесей.

В результате выполненных исследований разработаны методы гидравлического расчета устройств с интенсификацией и подавлением турбулентности. Эти исследования показали значительные перспективы, открывающиеся с решением проблемы управления турбулентностью движущейся среды; считая это направление приоритетным, полагаю необходимым в дальнейшем сосредоточить внимание на глубоком экспериментальном изучении структурного моделирования свойств турбулентных течений и внедрении новых технологий.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах автора:

Водосбросное устройство. Авт. свид. СССР №812877. 1981 (соавт. Кривченко Г.И., Квятковская Е.В., Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Высоконапорная водосбросная система с контрвихревым гасителем энергии потока // Гидротехническое строительство, 1981, 10, 29-31 (соавт. Кривченко Г.И., Квятковская Е.В., Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Способ гашения энергии потока. Авт. свид. СССР №812876. 1981 (соавт. Кривченко Г.И., Квятковская Е.В., Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Гаситель энергии потока. Авт.свид. СССР №874853. 1981 (соавт. Кривченко Г.И., Квятковская Е.В., Мордасов А.П., Волшаник В.В., Куперман В.Л.).

Устройство для аэрации воды в рыбоводных водоемах. Авт. свид. СССР №856415. 1981 (соавт. Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Водосбросное устройство. Авт. свид. СССР №920099. 1982 (соавт. Кривченко Г.И., Квятковская Е.В., Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Водосбросное устройство и его вариант. Авт. свид. СССР №924233. 1982 (соавт. Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Градирня. Авт. свид. СССР №1188498. 1982 (соавт. Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Двухкомпонентная форсунка. Авт. свид. СССР №963362. 1982 (соавт. Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Проекты использования закрученных потоков в высоконапорных водосбросах // Гидротехника и мелиорация, София, 1983, 8, 3-7 (соавт. Волшаник В.В., Мордасов А.П.).

Исследования водосбросной системы с тангенциальным подводом потоков // Сб. тр. МИСИ, М., 1983, 187, 98-106 (соавт. Кривченко Г.И., Квятковская Е.В., Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Шахтный вихревой водосброс с контрвихревым гасителем для высоконапорных гидроузлов // Сб. тр. МИСИ, М., 1983, 187, 151-157 (соавт. Кривченко Г.И., Квятковская Е.В., Мордасов А.П., Волшаник В.В.).

Способ гашения энергии потока воды. Авт. свид. СССР №1010184. 1983 (соавт. Чепайкин Г.А., Редченко И.С.).

Energy dissipators for high-pressure water discharge structures, based on interaction coaxial swirled flows // Proc. 20 IAHR Congr., Moscow, 1983, 7, 464-467 (соавт. Krivchenko G.I., Mordasov A.P., Kviatkovskaya E.V., Volshanik V.V., Levanov A.V.).

Использование взаимодействующих закрученных потоков в решении проблем защиты окружающей среды // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура, 1984, 8, 97-101 (соавт. Волшаник В.В., Мордасов А.П., Леванов А.В.).

Глушитель шума газового потока. Авт. свид. СССР №1073489. 1984 (соавт. Мордасов А.П., Волшаник В.В., Леванов А.В.).

Реактивный двигатель. Авт. свид. СССР №1083684. 1984 (соавт. Мордасов А.П., Волшаник В.В., Леванов А.В.).

Исследование модели высоконапорного глубинного водосброса со взаимодействием концентрических закрученных потоков // Гидротехническое строительство, 1986, 12, 29-33 (соавт. Чепайкин Г.А.).

Гаситель энергии потока глубинного водосброса. Авт. свид. СССР №1233548. 1986 (соавт. Кривченко Г.И., Квятковская Е.В., Мордасов А.П., Волшаник В.В., Леванов А.В., Слисский С.М., Правдивец Ю.П.).


загрузка...