• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
183
Рубрика: Успехи науки
Раздел: Физика
Многоспиральные вихри

Многоспиральные вихри

Вихревые мультиплеты - уникальные конфигурации нескольких стремительно вращающихся вихрей - могут образовываться как в природе, так и при работе различных технических устройств. Их изучают уже не одно столетие, однако до недавнего времени в экспериментальных условиях удалось исследовать пространственную структуру только самых «простых» вихрей - дуплетов.

Эта задача была решена сибирскими и датскими учеными в серии экспериментов, связанных с распадом одиночного вихря. Создав в прямом смысле «бурю в стакане воды», им удалось получить и детально исследовать устойчивые вихревые мультиплеты.

Эти результаты имеют принципиальное значение для развития вихревой концепции теории турбулентности, описания отдельных режимов работы вихревых установок, а также для анализа сложных процессов в интенсивно закрученных потоках, таких как тропические циклоны и торнадо

Коллективом ученых из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН и Технического университета Дании впервые показаны и экспериментально исследованы устойчивые конфигурации самоорганизующихся вихревых мультиплетов в закрученном потоке жидкости, генерируемом в полости цилиндра его вращающимся торцом

Исследование поведения равновесных когерентных конфигураций нескольких вихрей (вихревых мультиплетов) ведется в фундаментальных и прикладных целях с XIX в. Сегодня вопрос о структуре подобных образований имеет принципиальное значение как для развития вихревой концепции теории турбулентности, так и для анализа сложных процессов в интенсивно закрученных потоках, возникающих в природе и различных технических устройствах.

Теория точечных вихрей предсказывает существование до семи вихрей в равновесных круговых конфигурациях; ее обобщение на винтовые вихри снижает прогноз до шести.

Исследование реконструкции трехмерного поля скорости вихревого мультиплета позволило четко идентифицировать возникающую вихревую структуру. На реконструкции трехмерного поля скорости вихревого квадруплета показана изоповерхность высокой положительной осевой компоненты вектора скорости (R – радиус цилиндра)

Однако определить пространственные структуры вращающихся вихревых мультиплетов в реальных условиях очень сложно: до недавнего времени удалось получить экспериментальные данные только о структуре дуплетов (двуспиральных или двойных вихрей). Визуализировать более сложные мультиплеты не удавалось. Исключением можно считать трассировку концевых вихрей, сходящих с лопастей вращающейся турбины или пропеллера.

Вихревые мультиплеты образутся при распаде одиночного вихря. Поэтому экспериментальное изучение этого процесса важно не только для понимания природы самого явления, но и для исследования различных вихревых конфигураций. Именно таким образом ранее были исследованы вихревые дуплеты.

Визуализировать процесс распада вихря, образующегося в сосуде с жидкостью, можно в условиях лабораторного опыта с помощью красителя. Распад концентрированного вихря характеризуется резким замедлением скорости по его оси, иногда приводящим к образованию зоны обратного течения (рециркуляции). Этот процесс можно отследить благодаря захваченному вихрем красящему веществу, которое первоначально распределено строго вдоль вихревой оси.

В поперечных сечениях распадающегося осевого вихря отчетливо выделяются различные типы регулярных вихревых мультиплетов, в том числе и впервые полученные в лабораторных условиях триплеты и квадруплеты

В рамках совместной работы сибирских и датских ученых была проведена серия экспериментов, направленная на выявление пространственной структуры устойчивых мультиплетных форм распада вихря. В работе были использованы две однотипные экспериментальные установки, представляющие собой круговые цилиндры с вращающимся торцом и отличающиеся только размерами и рабочими жидкостями. Характеристики закрученного потока, получаемого в них при вращении торца, определяются двумя режимными параметрами: отношением высоты цилиндра к радиусу основания и числом Рейнольдса, связанным с угловой скоростью вращения торца и вязкостью рабочей жидкости. В экспериментах были использованы цилиндры с диаметрами 5,6 и 30 см, содержащие дистиллированную воду и 75 %-ю водно-глицериновую смесь соответственно.

Прямое сопоставление визуальных картин течения, полученных на обеих установках, позволило установить, что при одинаковых значениях режимных параметров в них реализуются одни и те же режимы распада вихря с устойчиво воспроизводимыми вихревыми мультиплетами. Неслучайный характер полученных визуализаций подтверждается и исследованием трехмерного поля скорости, построенном с помощью стереоскопической системы цифровой трассерной визуализации 3D PIV на режимах получения устойчивых вихревых образований. Это исследование позволило не только определить начало перехода от осесимметричного течения к режиму с равновесно вращающимися мультиплетами, но и четко идентифицировать возникающую вихревую структуру.

С прикладной точки зрения, важность существования такого явления, как распад вихря с образованием вихревых мультиплетов, весьма велика. Оно может стать отправной точкой для описания отдельных режимов работы вихревых установок, создания концепции многоячеистого облакообразования в центре интенсивных тропических циклонов, а также моделирования торнадо с мультивихревой структурой ядра.

К. т. н. И. В. Наумов (Институт теплофизики
им. С. С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск),
д. ф.-м. н. В. Л. Окулов (Технический университет Дании, Копенгаген)

Литература

Okulov, V. L. On the stability of multiple helical vortices // J. Fluid Mech. 2004. V. 521. P. 319—342.

Окулов В. Л., Наумов И. В., Соренсен Ж. Н. Самоорганизующиеся вихревые мультиплеты в закрученном течении // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34, № 15. С. 89—95.

Наумов И. В., Окулов В. Л., Соренсен Ж. Н. Применение 3D PIV для диагностики самоорганизующихся вихревых мультиплетов // Оптические методы исследования потоков: Труды 10-й Международной научно-технической конференции. Москва, 23—26 июня 2009 г. М.: Изд. МЭИ, 2009. С. 342—345.

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments