Исследование структуры турбулентного течения в окрестности овально-траншейной лунки в рамках вихреразрешающих подходов
Автор: Алексей Юрьевич Чулюнин
Организация: НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Исследование механизмов обтекания лунок различной глубины, является актуальной задачей современной механики. Известно, что подобные углубления являются хорошими интенсификаторами теплообмена и не вызывают при этом сильного роста коэффициента гидравлического сопротивления. В зависимости от отношения максимальной глубины H и диаметра пятна D принято различать мелкие (H/D<0.125), умеренные (0.125 <Δ< 0.25) и глубокие (H/D>0.25) лунки [1]. В мелких лунках течение безотрывное, а в умеренных – возникают характерные вихревые структуры в виде симметричной двухъячеистой области рециркуляционного течения. В глубоких лунках стационарные схемы течения оказываются неустойчивыми, наблюдается формирование нестационарного течения с непериодическим чередованием «левостороннего» и «правостороннего» несимметричных режимов. Последние работы (например, [2]) показывают, что эффективная форма вихрегенератора – овально-траншейная лунка (ОТЛ).
В работе на базе численного моделирования исследуется структура течения в глубоких овально-траншейных лунках, расположенных различными углами к набегающему потоку, на нижней стенке плоскопараллельного канала. Траншея представляет собой две половинки полусферической лунки радиуса R, соединенных между собой полуцилиндрической вставкой, длина которой L варьируется в широком диапазоне. Для дискретизации расчетной области применялась неструктурированная сетка размером до 15 млн. элементов. Число Рейнольдса вычисленное по скорости потока на входе в канал и диаметру начального пятна лунки изменяется в диапазоне от 104 до 105.
В ходе проведения вычислительного эксперимента выявлено, что увеличение длины цилиндрической части лунки от 0 до L=R приводит к стабилизации течения, воспроизводятся два устойчивых стационарных состояния, характеризуемые одноядерными вихревыми структурами, начинающимися на внутренних стенках концевых сферических скруглений траншеи и выходящих во внешнюю пристеночную область течения в районе противоположных концов траншеи (Рис.1а, б). Конкретная конфигурация зависит от предыстории установления, в частности – от начальных условий задачи. Дальнейшее увеличение длины лунки, а также поворот лунки относительно набегающего потока устраняет неоднозначность решения и приводит к новым, более сложным вихревым структурам (Рис.1в).
