Яковенко С.Н.
Моделирование плоской струи при небольших числах Рейнольдса
Целью работы является численное исследование структуры потока в истекающей из узкой щели плоской струе, стационарной и с наложенными осцилляциями в поперечном направлении, аналогичными акустике. Результаты работы могут применяться, например, для развития основанной на сжигании экологически чистого топлива водородной энергетики, с огромными запасами в мировом океане. Процессы струйного истечения водорода из различного типа горелок, форсунок, сопел и его горения представляют интерес с точки зрения повышения устойчивости пламени и снижения выбросов в атмосферу оксидов азота. Возникает вопрос возможности влиять на эти процессы с помощью различных методов управления. Например, формирующаяся под влиянием акустики вихревая структура способствует росту подсоса воздуха, повышению степени смешения топливо-воздух и устойчивости пламени, снижению температуры и длины пламени, и, как результат, сокращению эмиссии вредных выбросов [1]. Результаты моделирования также применимы в задачах пульсирующих микроструй для воздействия на основные источники шума (крупные турбулентные вихри в выхлопных потоках в авиадвигателях) и снижения шума от самолета; для охлаждения и вентиляции в микроэлектронике; активно воздействующих на поток актуаторов для снижения сопротивления летательных аппаратов и экономии топлива.
Для расчета плоской струи используются двумерные нестационарные уравнения неразрывности и Навье–Стокса для несжимаемой жидкости в декартовых координатах (x, y). Как и в [2,3], дискретизация уравнений проводится на смещенной сетке для предотвращения рассогласования полей скорости и давления, определяемых при помощи одновременных итераций и метода искусственной сжимаемости. В предварительных этапах работы изучается влияние шага по координате/времени, разрежения/сгущения сетки, длины и ширины области расчета, условий на границах, аппроксимаций конвективных слагаемых на точность вычислений. Исследуется влияние различных распределений скорости на входе в струю: в частности, параболического профиля Пуазейля и ударного профиля с постоянной скоростью при различном числе Рейнольдса (10 < Re < 1000), основанном на высоте щели и скорости на выходе из щели. Проводится обработка и анализ результатов, полученных на достаточно мелких сетках. Предполагается изучить развитие возмущений из численной неустойчивости, и/или малых случайных возмущений, и/или наложенных колебаний струи различной частоты и сравнить полученные результаты с данными других работ, полученными в лабораторных экспериментах, численных и аналитических исследованиях.
Предварительные результаты стационарных расчетов на грубой сетке показывают качественно правильную картину развития струи и асимптотическое стремление с ростом продольной координаты х к степенным законам затухания скорости в центре струи (~ х−1/3) и характерных толщин струи (~ х2/3), соответствующим точному решению для струи из точечного источника (см., напр., в [4]).
1. Козлов В.В., Грек Г.Р., Коробейничев О.П., Литвиненко Ю.А., Шмаков А.Г. Особенности горения водорода в круглой и плоской струе в поперечном акустическом поле и их сравнение с результатами горения пропана в тех же условиях // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2014. Т. 9, вып. 1. С. 79–86.
2. Viecelli J.A. A computing method for incompressible flows bounded by moving walls // J. Comput. Phys. 1971. Vol. 8. P. 119-143.
3. Курбацкий А.Ф., Яковенко С.Н. Численное исследование турбулентного течения вокруг двумерного препятствия в пограничном слое // Теплофизика и аэромеханика. 1996. Т. 3, № 2. С. 145-163.
4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. – М.: Дрофа, 2003. – 840 с.
To reports list