Моделирование развития неустойчивости в плоской затопленной струе при небольших числах Рейнольдса

Выполнено численное моделирование плоской затопленной струи при числе Рейнольдса 32 ≤ Re ≤ 160, основанном на средней входной скорости и высоте плоской щели на входе в струю, при помощи уравнений неразрывности и уравнений Навье - Стокса для несжимаемой жидкости. Изучено влияние изменения Re на характер течения при отсутствии и задании малых случайных возмущений на входе в струю. Результаты настоящих расчетов согласуются с имеющимися данными лабораторных экспериментов и показывают ламинарное состояние течения на первом участке у выхода из щели, асимметричную неустойчивость синусоидального вида на втором, переходном, участке и нерегулярный турбулентный характер течения на третьем участке. Получено, что длина первого и второго участков уменьшается с ростом амплитуды малых случайных возмущений, вводимых путем искажения профиля скорости на входе. Кроме того, увеличение числа Рейнольдса приводит к меньшей протяженности ламинарного участка, что согласуется с данными предыдущих работ. Проведена оценка характерных значений длины волны колебаний, соответствующих выявленному эффекту синусоидальной неустойчивости, и характерной частоты этих колебаний, которая резко возрастает с ростом Re.

плоская струя, ламинарное течение, неустойчивость, переход к турбулентности, численное моделирование, поле скорости, случайные возмущения

1. Gau C., Shen C. H., Wang Z. B. Peculiar phenomenon of micro-free-jet flow. Phys. Fluids, 2009, vol. 21, paper no. 092001, р. 1-13.

2. Козлов В. В., Грек Г. Р., Литвиненко Ю. А., Козлов Г. В., Литвиненко М. В. Дозвуковые круглая и плоская макро-и микроструи в поперечном акустическом поле // Вестн. Новосиб. гос. ун-та, Серия: Физика. 2010. Т. 5, вып. 2. С. 28-42.

3. Грек Г. Р., Катасонов М. М., Козлов В. В., Коробейничев О. П., Литвиненко Ю. А., Шмаков А. Г. Особенности горения пропана в круглой и плоской макро- и микроструе в поперечном акустическом поле при малых числах Рейнольдса // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2013. Т. 8, вып. 3. С. 98-120.

4. 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.

5. Леманов В. В., Терехов В. И., Шаров К. А., Шумейко А. А. Экспериментальное исследование затопленных струй при низких числах Рейнольдса // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, вып. 9. С. 34-40.

6. Yakovenko S. N. Modeling of plane jet at moderate Reynolds numbers. AIP Conference Proceedings, 2017, vol. 1893, issue 1, paper no. 030101, 5 p.

7. Копьев В. Ф., Остриков Н. Н., Зайцев М. Ю., Чернышев С. А. Устройство и способ воздействия на вихревые структуры в турбулентной воздушной струе. Патент 2357109 Рос. Федерация. № 2007141384/11; заявл. 07.11.2007; опубл. 27.05.2009. 7 с.

8. Gogineni S., Shih C. Experimental investigation of the unsteady structure of a transitional plane wall jet. Exp. Fluids, 1997, vol. 23, p. 121-129.

9. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.

10. Moukalled F., Mangani L., Darwish M. The finite volume method in computational fluid dynamics: An advanced introduction with OpenFOAM® and Matlab®. Springer, 2016, 791 p.

11. 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.

12. Козлов Г. В., Грек Г. Р., Сорокин А. М., Литвиненко Ю. А. Влияние начальных условий на срезе сопла на структуру течения и устойчивость плоской струи // Вестн. Новосиб. гос. ун-та, Серия: Физика. 2008. Т. 3, вып. 3. С. 14-33.