Экспериментальное исследование влияния начальных условий на структуру течения в круглой струе

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование влияния начальных условий на структуру течения в круглой струе

Литвиненко М.В., Балбуцкий А.Б. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Вихри, образующиеся в струях, являются инструментом интенсификации теплообмена, повышения эффективности горения, снижения аэродинамического шума. Как известно, в струях, при определенном числе Рейнольдса, вниз по потоку, линейная неустойчивость Кельвина ? Гельмгольца приводит к росту амплитуды возмущений, что вызывает сворачивание слоя сдвига в первичные, осесимметричные вихревые кольца [1]. Эти структуры имеют масштабы, соизмеримые с поперечным размером слоя смешения, и характеризуются достаточно большим временем существования. Условием существования таких образований служит «ударный» профиль скорости на выходе из сопла. Наблюдаются также другие организованные вихри из-за вторичных неустойчивостей. Эти структуры возникают в виде продольных, вращающихся в противоположных направлениях вихрей, которые накладываются на вихри Кельвина-Гельмгольца. Такие вихри исследованы в плоских слоях сдвига [2].

Они могут быть генерированы различными способами, например, при помощи лепесткового сопла [3]. Взаимодействие вихрей Кельвина-Гельмгольца с продольными вихрями способствует высокой степени смешения струи с окружающим газом. Создание параболического профиля скорости на срезе сопла приводит к ситуации, когда течение в струе (круглой свободной) остается ламинарным на расстоянии до десяти калибров, отсутствуют кольцевые вихри Кельвина-Гельмгольца и продольные вихри [4]. Ниже по потоку начинается область перехода струи в турбулентное состояние, где можно наблюдать выбросы газа с периферии струи в окружающее ее пространство в виде спиралевидных вихревых структур, как показано для круглой струи, подверженной поперечному потоку [5].

Известно, что вихревые структуры в струях сильно восприимчивы к шуму или акустическим возмущениям [6]. Искусственно генерированные возмущения могут быть использованы для значительного изменения и даже управления развитием струйных структур [7]. Акустическое воздействие может быть использовано для изменения процесса горения и уменьшения образования сажи и выбросов окиси азота [8] в струйных горелках.

Представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию начальных условий (распределений средней и пульсационной составляющих скорости, конфигурации сопла, наличие периодических шероховатостей на кромке сопла) на структуру и характеристики развития вихревых структур в струях при малых числах Рейнольдса.

Круглая струя с «ударным» профилем скорости на срезе сопла подвержена неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, связанной с образованием кольцевых вихрей, эволюция которых вниз по потоку приводит к турбулизации струи. Взаимодействие кольцевых вихрей с полосчатыми структурами, которые могут генерироваться непосредственно на выходе струи из сопла, приводит к возникновению трехмерных азимутальных структур типа или -образных вихрей. Исследования показали, что шероховатости на кромке сопла можно использовать для генерации продольных вихревых структур, и в этом случае структуры не подвержены радиальным колебаниям. Эволюция продольных вихрей вниз по потоку ведет к интенсификации процесса смешения струи с окружающим газом и, в конечном итоге, ее турбулизации (Рис. 1).

Рис. 1. Результаты дымовой визуализации круглой струи (а) и ее поперечного сечения на различных расстояниях от среза сопла (b ? h)

Изменение начальных условий на срезе сопла, т.е. распределения средней скорости в поперечном сечении струи, ведет к кардинальному изменению характеристик ее течения. В случае ламинарной круглой струи с параболическим профилем скорости на срезе сопла течение в струе становится ламинарным с дальнобойностью до десяти калибров, отсутствуют кольцевые вихри Кельвина-Гельмгольца и продольные структуры (Рис. 2). Акустического воздействия на ламинарную круглую струю с параболическим профилем средней скорости не обнаружено.

Рис. 2. Распределения скорости (а) и пульсаций скорости (б) в поперечном сечении круглой струи (L/d=200) на различных расстояниях вниз по потоку от среза канала (1,2,3 - при x = 2,10,20 мм, соответственно); картина дымовой визуализация струи вдоль потока, Re_d=6667

Круглая струя, формируемая на выходе из криволинейного канала с вихрями Дина, имеет свои особенности развития. Как известно вторичное течение в криволинейном канале создает условия формирования двух противовращающихся вихрей Дина [9]. На рис. 3 показаны картины дымовой визуализации поперечного сечения круглой струи непосредственно на срезе выходного отверстия криволинейного канала (а) и на различных расстояниях вниз по потоку (б, в). На рис. 3,а видны две области внутри струи, которые представляют собой два противовращающихся вихря Дина. Далее вниз по потоку можно наблюдать определенную деформацию вихревых структур, тем не менее, отчетливо видна пара вихрей (рис. 3,б). Более сложное вихревое движение внутри струи можно наблюдать на рис. 3,в.

Рис. 3. Картины дымовой визуализации поперечного сечения круглой струи на срезе выходного отверстия канала (а) и на различных расстояниях вниз по потоку (б, в)

сопло шероховатость вихревой рейнольдс

Список литературы

Drazin P.G., Reid, W.H. Hydrodynamic Stability // Cambridge Univ. Press. 1981.

Bernal L.P., Roshko, A. Streamwise vortex structure in plane mixing layers // J. Fluid Mech. 1986. Vol. 170. P. 499-519.

Zaman K.B. M.Q. Axis switching and spreading of an asymmetric jet: The role of coherent structure dynamics // J. Fluid Mech. 1996. Vol. 316. P. 1-27.

Grek G.R., Kozlov G.V., Kozlov V.V., Litvinenko Yu.A., Litvinenko M.V. Influence of initial conditions at the nozzle exit and acoustical action on the structure and stability of a plane jet // Visualization of Mechanical Processes. 2012. V. 2. Issue 3. P. 1-29.

Lim T.T., New T.H., Luo S.C. On the development of large-scale structures of a jet normal to a cross flow // Phys. Fluids. 2001. Vol. 13. N 3. P. 770-775.

Гиневский А.С., Власов Е.В., Каравосов Р.К. Акустическое управление турбулентными струями // Физматлит. 2001. C. 1-239.

Crow, S.C., Champagne, F.H. Orderly structure in jet turbulent // J. Fluid Mech. 1971. Vol. 48. P 547-591.

Chao, Y.C. et al. Effects of flame lifting and acoustic excitation on the reduction of NOx emissions // Combust. Sci. Technol. 1996. V. 113. P. 49-60.

Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя // Издательство «Наука». 1969. С. 584-587.

Размещено на Allbest.ru