Механико-математический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва
На рисунке: Промежуточная картина плотности обтекания системы из трех свободных цилиндров.
В существенно нестационарных задачах газовой динамики ключевую роль играет построение хорошей расчетной сетки, адекватной задаче. Если эволюция течения неизвестна априори, то ручное или полуавтоматическое создание сетки становиться не только неэффективным, но и невозможным. Необходима возможность автоматической адаптации расчетной сетки между расчетными шагами по времени. Для этого предлагается алгоритм локальной адаптации для широко используемых в газовой динамике декартовых сеток, на основе неравномерного локального вейвлет-анализа окрестности ячейки.
Для расчета течений газа с твердыми включениями используется метод свободной границы (1). В нем влияние твердых тел на течение учитывается введением компенсационных потоков в правые части уравнений. Это позволяет вести расчет сквозным образом по всем ячейкам, включая содержащие твердое тело, что в свою очередь позволяет обеспечить гладкое продолжение решение внутри тела. Хотя эти фиктивные ячейки, не содержащие газа, не влияют на полностью или частично заполненные газом ячейки, гладкое продолжение используется для инициализации ячеек в случае смены их статуса при движении тела.
В ходе расчета компенсационных потоков расчитывается пристеночное давление фрагмента поверхности твердого тела, пересекающегося с ячейкой. По этим данным можно численным интегрированием получить силу, действующую на тело. Благодаря этому, можно не только вести расчеты с движением тел по заданному закону движения, но и свободно движущихся тел.
Такой численный метод был реализован, и с его помощью был проведен ряд расчетов, моделирующий разлетание свободно движущихся цилиндров в сверхзвуковом потоке.
Работа поддержана грантом РФФИ 19-31-90162.
1.И. С. Меньшов, М. А. Корнев, Метод свободной границы для численного ре-шения уравнений газовой динамики в областях с изменяющейсягеометрией,Матем. моделирование, 2014, том 26, номер 5, 99–112
2. Ya. V. Khankhasaeva, A.L. Afendikov, A.E. Lutsky, I.S. Menshov, V. S. Nikitin. Simulation and visualization of the flow around blunted body in the wake of supersonic ejecting pellet. Scientific Visualization, Vol. 11, No. 1, pp. 57-69, 2019.
3. Афендиков А. Л., Луцкий А. Е., Меньшов И. С., Никитин В. С., Ханхасаева Я. В. Численное моделирование вылета пеллета из затупленного тела. Препринты РАН, 15 с., 2017.
4. Афендиков А. Л., Луцкий А. Е., Меньшов И. С., Никитин В. С., Ханхасаева Я. В. Численное моделирование возвратного течения при разделении движущихся со сверхзвуковыми сокростями тел. Математическое моделирование, том 31, 2019.
Вячеслав Сергеевич Никитин
НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию развития возмущений в круглой ламинарной струе, а также некоторым методам их измерения. Исследования проводились на базе лаборатории экспериментальной гидродинамики НИИ Механики МГУ на устройстве, формирующем круглую затопленную ламинарную струю.
В линейной теории устойчивости пристенных сдвиговых потоков всего лишь несколько классических результатов были подтверждены экспериментально, например, пограничный слой Блазиуса, течение Пуазейля в круглой трубе, плоское течение Пуазейля. Устойчивость струйных потоков и рост возмущений в них изучены гораздо меньше из-за низких критических чисел Рейнольдса Re и разрушения свободных струй на выходе из отверстия. Недавно авторами был представлен метод создания ламинарных струй воздуха диаметром D = 0.12 м, сохраняющих слоистую структуру на расстоянии 5.5 D от выходного отверстия для чисел Рейнольдса Re ~ 10000. Схема установки представлена на рисунке.
В настоящей работе проведена серия экспериментов с визуализацией струи лазерным ножом, направленная на исследование развития возмущений, генерируемых колебаниями металлического кольца, и последующая обработка полученных результатов. Диаметр кольца подбирался таким образом, чтобы локальные возмущения генерировались в точке перегиба профиля скорости, согласно линейной теории устойчивости. Получены и проанализированы длины и частоты волн, видимых на боковых краях течения. Имеет место качественное и во многом количественное подтверждение теоретических расчетов.
Также была проведена серия термоанемометрических измерений. Была найдена зависимость профиля скорости и относительных пульсаций скорости от расстояния от диффузора. Результаты экспериментов показывают соответствие развития возмущений линейной теории устойчивости.
Линар Рафаилович Гареев
Пермский государственный национальный исследовательский университет
В работе экспериментально исследуются акустические течения и связанные с ними явления, возникающие при воздействии ультразвука на дистиллированную воду и водные растворы солей NaCl и KCl различной концентрации. Обсуждается зависимость возникающих течений и кавитационных пузырьков от состава жидкости и от мощности ультразвукового воздействия.
Эксперимент проводился в ячейке размером 110×116×160 мм3, имеющей форму параллелепипеда. Центральная часть ячейки пронизывалась сбоку лазерным ножом, создаваемым цилиндрической линзой и зеленым DPSS лазером KLM-532. Для регистрации акустических течений использовалась высокоскоростная камера. В качестве исследуемых жидкостей использовались насыщенные растворы смеси химически чистых солей KCl и NaCl, а также, проводились эксперименты с дистиллированной водой и твердыми пластинами [1, 2]. На рис. 1 А показана характерная для дистиллированной воды иллюстрация возникающего процесса.
Эксперименты с насыщенными растворами солей NaCl и KCl показали, что при любой заданной мощности УЗ, возникают только инерционные кавитационные пузыри. Была проведена серия экспериментов по изучению формирования и динамики кавитационных пузырьков в растворах с различными концентрациями NaCl и KCl. Эти эксперименты показали, что при низких концентрациях солей (ниже 2%), одновременно существуют два вида кавитации, причем порог инерционной кавитации выше, чем в дистиллированной воде. Ниже данного порога, на протяжении всей серии опытов кометообразные стримеры не появляются. При увеличении концентрации с 2% и до 13%, частота возникновения стримеров растет, а средний диаметр левитирующих пузырьков уменьшается. При 13% концентрации диаметр пузырьков уменьшается настолько, что из поля зрения исчезают практически все левитирующие пузырьки рис. 1 Б.
Рис. 1. А) Объединенная из 125 кадров фотография, иллюстрирующая общий вид получаемого в воде течения. Частота съёмки 100 к/с, выдержка 1/100 с. Б) Уменьшение среднего относительного диаметра пузырька D и их относительного количества N, при увеличение содержания солей калия в растворе от 0 до 14%.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-69-46066).
1. Rybkin K. A. et al. Experimental study of formation and dynamics of cavitation bubbles and acoustic flows in NaCl, KCl water solutions //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2017. – Т. 879. – №. 1. – С. 012026.
2. Кугаевская А. А. и др. Экспериментальное исследование динамики кавитационных пузырьков в водных растворах NaCl и KCl вблизи твердых поверхностей //Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии. – 2020. – С. 98-99.
Аня Кугаевская
Пермский Государственный Национальный Исследовательский Университет (ПГНИУ)
Динамика кавитационных пузырьков, возникающих в жидкости, зависит от различных факторов: может наблюдаться как разрушение пузырьков, так и их слияние, а также длительное существование относительно крупных пузырьков как в объеме жидкости, так и вблизи твердых поверхностей [1,2]. Коллапс пузырьков создает локальные экстремальные давления и температуры, а также ударные волны в жидкости, которые оказывают существенное влияние на поверхность, а также на динамику и коалесценцию пузырьков, находящихся в области кавитационной активности.
В данной работе экспериментально исследована динамика парогазовых пузырьков вблизи и на поверхности твердых плоских пластин из аморфного кварца, покрытых поверхностно-активным веществом (ПАВ), погруженных в дистиллированную воду под действием ультразвука (УЗ). Обнаружено значительное влияние наличия ПАВ на поверхности кварца на динамику пузырьков на границе раздела фаз. В случае гидрофильной поверхности кварца в дистиллированной воде под действием ультразвука образуются инерционные осциллирующие пузырьки, которые, достигая критического диаметра за счет процессов коалесценции, всплывают вверх. При наличии ПАВ на поверхности парогазовые пузырьки образуют линейные цепочки (скопления) пузырьков, которые растут со временем под действием ультразвука и остаются прикрепленными к твердой поверхности в течение всего времени ультразвуковой обработки. Даже после отключения УЗ большинство пузырьков оставаются вмороженными в поверхность.
На рисунке справа приведены типичные фотографии, полученные в ходе экспериментов: слева - пластина, покрытая ПАВ, справа – чистая пластина аморфного кварца. На фотоснимках запечатлён момент отключения УЗ, красными стрелки указывают на всплывающие пузырьки.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (грант № 19-31-90138) и Программы поддержки Научных школ Пермского края (грант № С-26/788).
1. Lyubimova T. P. et al., Dynamics of Vapor-Gas Bubbles in a Liquid Near Solid Surfaces with Different Properties //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, Т. 581, №. 1. p. 012041
2. Rybkin, K. A., Bratukhin, Y. K., Lyubimova, T. P., Fatallov, O.O., Filippov, L.O., Experimental study of formation and dynamics of cavitation bubbles and acoustic flows in NaCl, KCl water solutions// In Journal of Physics: Conference Series, 2017, Vol. 879, No. 1, p. 012026.
Оскар Олегович Фатталов
ИФТТ РАН
Исследование течений в трубках и каналах маленького размера в последнее время представляет все больший интерес в различных сферах. Уменьшение размеров трубок и каналов привело к созданию так называемых микрофлюидных устройств.
Исследования проводились в стеклянных каналах T-типа. На предметный столик оптического микроскопа помещался канал. К входным отверстиям подводились два гибких тефлоновых капилляра, по одному из которых пускался раствор родамина в воде, а по второму дистиллированная вода. Для регистрации эксперимента была установлена тушка беззеркальной камеры с помощью которой производились снимки через объектив микроскопа. Полученные изображения обрабатывались с помощью различных графических редакторов и пакета прикладных программ Matlab [1].
Для определения зависимостей распределений концентрации раствора в потоке поперек канала, брались профили интенсивности изображения в серединной области каждого участка канала. Профиль интенсивности получался в виде сигмоиды, что неплохо согласуется с [2]. Чем дальше от начала соединения, тем переходная область сигмоиды становится плавнее, а разность значений интенсивности уменьшается.
Для наглядности были взяты семь равномерно удаленных поперечных профилей интенсивности по длине канала. Видно, как изменяется наклон кривой по мере удаления потока от места соединения.
Начальная концентрация Родамина Ж в воде составляла ~6,3×106 см-3. Коэффициент диффузии Родамина в воде равен ~4,4×10-6 см2/с. Исходя из этих данных, а также значений параметров размера канала и скорости потока, была построена аналитическая модель зависимости интенсивности от ширины канала на разных участках, которая находится в хорошем качественном согласии с экспериментальными результатами.
Работа выполнена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования РФ #075-15-2019-1893
1. F O Sultanov et al 2020 J. Phys.: Conf. Ser. 1560 012044.
2. Араманович И. Г., Левин В. И. Уравнения математической физики 1969.
Фархад Олегович Султанов
Пермский государственный национальный исследовательский университет
В настоящей работе экспериментально исследована динамика парогазовых пузырьков, возникающих в воде и водно-солевых растворах в результате коалесценции кавитационных пузырьков, образующихся под действием ультразвука (УЗ), вблизи твердых поверхностей [1] с различными свойствами.
В экспериментах использовалась кювета, имеющая форму параллелепипеда, с размерами 110×116×160 мм3 (Рис. 1. А). Кювета была изготовлена из оргстекла толщиной 3мм. В центральной части кюветы строго вертикально закреплялись пластины, изготовленные из стекла, тефлона и оргстекла. Для визуализации пузырьков использовался лазерный нож, создаваемый цилиндрической линзой и зеленым лазером KLM 532. Для регистрации динамики пузырьков использовалась высокоскоростная камера Basler A504kc и зеркальная камера Nikon D7200, подробно методика описана в статье [2].
Эксперименты показали значительное влияние концентрации соли в воде и свойств твердой поверхности на поведение пузырьков, как при действии УЗ, так и после его отключения. В 20% водном растворе NaCl при действии УЗ на гидрофильную поверхность стекла, пузырьки оставались неподвижными, а в момент отключения УЗ всплывала лишь незначительная их часть. При аналогичных условиях на гидрофобной поверхности фторопласта наблюдаются подвижные пузырьки, всплывающие при отключении УЗ. Эксперименты показали, что в случае гидрофильной поверхности, при концентрации соли в растворах около 3%, суммарная площадь пузырьков, прикрепившихся к твердой поверхности, растет, со временем, нелинейно. В случае гидрофобной поверхности линейный рост наблюдается лишь при 30% концентрации KCl (Рис. 1. Б, В).
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-69-46066).
1. Lyubimova T. P. et al. Dynamics of Vapor-Gas Bubbles in a Liquid Near Solid Surfaces with Different Properties //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2019. – Т. 581. – №. 1. – С. 012041.
2. Rybkin K. A. et al. Experimental study of formation and dynamics of cavitation bubbles and acoustic flows in NaCl, KCl water solutions //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2017. – Т. 879. – №. 1. – С. 012026.
Константин Анатольевич Рыбкин
Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь
Проблемы тепломассопереноса от компактных источников тепла активно обсуждаются в рамках задач об интенсификации теплообмена [1], которые оказываются тесно связанными с эффективностью охлаждения микроэлектронных устройств [2]. Одним из возможных методов охлаждения электронных устройств может выступать ультразвуковой (УЗ) излучатель.
Настоящее исследование выполнено с целью получения более полного представления о влиянии источника УЗ на конвективное течения образуемое над нагревателем цилиндрической формы. В рамках настоящей работы проведены натурные эксперименты, которые позволили, исследовать и описать влияние ультразвука на характеристики конвективного течения, а также получить поля скорости над поверхностью нагревательного элемента.
«Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-31-90138»
Михаил Олегович Кучинский
