Исследование механизма переключения при обтекании глубоких лунок

Автор: Алексей Юрьевич Чулюнин

Организация: НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Изучение луночных углублений и их характеристик уже длительное время остается актуальной задачей современной механики и теплофизики. Подобные углубления являются хорошими интесификаторами теплообмена, не вызывающими, при этом существенного роста гидравлического сопротивления [1]. На практике этой свойство применяется при разработке теплообменных устройств макро- и микро-масштабов. Структура обтекания подобных углублений существенно зависит от относительной глубина (H/D). Так называемые «мелкие» лунки (H/D<0.25), характеризуются стационарным режимом обтекания, при котором в большинстве случаев, наблюдаются два симметричных вихря. При повышении отношения H/D до 0.25 стационарная структура потока в окрестности лунки разрушается и наблюдается формирование несимметричного течения с непериодическим чередованием «левостороннего» и «правостороннего» режима.

В настоящем исследовании проводится численное моделирование обтекания глубокой лунки (H/D=0.5) турбулентным потоком вязкой несжимаемой жидкости. Лунка располагается на нижней стенке плоскопараллельного канала, высотой 0.83 D. Входная и выходная границы канала расположены на расстоянии 4.5D, а расстояние от кромки лунки до боковых стенок канала составляет 1.5. Для описания турбулентного течения используется метод моделирования крупных вихрей (LES) c подсеточной моделью WALE [2].  Расчеты проведены для двух чисел Рейнольдса, вычисленных по диаметру лунки, Re_D = 10 000 и Re_D = 40 000. Для генерации турбулентности на входе использовался метод SEM (Synthetic Eddy Methods) [3].

Проведенные расчеты показали, что на наличие переключающихся режимов, кроме глубины лунки оказывает влияние и число Рейнольдса. Получено, что при Re_D = 10 000 внутри лунки формируется практически симметричная вихревая структура, несимметричные переключающиеся структуры отсутствуют. Существенно иная картина формируется при увеличении числа Рейнольдса до 40 000. Наблюдается наличие переключающихся режимов, которые представляют собой одноядерные наклонные вихревые структуры, которые начинаются в одном конце лунки, пересекают продольную плоскость симметрии и выходят с противоположенного конца. Осреднение по трем циклам дает в среднем близкую к симметричной картину, которая при этом отличается от полученной для Re_D = 10 000. Кроме того, было проведено осреднение за период существования одного режима, в этом случае получается характерная одноядерная вихревая структура.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 19-01-00242).

1.Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И., Федик И.И., Холпанов Л.П. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах. - М.: ФГУП “ЦНИИАТОМИНФОРМ”, 2008, с цв.вкладкой

2.Nicoud, F. and Ducros, F., 1999. “Subgrid-Scale Stress Modelling Based on the Square of the Velocity Gradient Tensor,” Flow, Turbulence and Combustion, 62, pp. 183-200.

3.Jarrin, N., Benamadouche, S., Laurence, D., and Prosser, R. 2006. “A synthetic-eddy-method for generating inflow conditions for large eddy simulations”. International Journal of Heat and Fluid Flow, 27, pp. 585-593