Современные проблемы динамики аэродисперсных сред

28 Мая 2013

11-00

Телемост ЦАГИ — ИТПМ СО РАН — СПбГПУ — НИИМ МГУ

On-line трансляция из НИИМ МГУ

ЦАГИ, корп. № 8, конференц-зал

Докладчик: Осипцов Александр Николаевич, д.ф-м.н., (Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова), osiptsov@imec.msu.ru

Аннотация доклада

В докладе представлены некоторые результаты исследования двухфазных потоков, полученные в Лаборатории механики многофазных сред МГУ. Доклад состоит из трех частей.

I. Дан обзор развития континуальных подходов к моделированию движения двухфазных сред типа «газ(жидкость)-инерционные частицы». Обсуждаются проблемы, связанные с возникновением локализованных зон пересекающихся траекторий частиц, фрагментацией и образованием «складок» фазового объема дисперсного континуума, появлением «каустик», локальных зон накопления частиц и других особенностей, затрудняющих использование стандартных эйлеровых подходов. Изложены основные идеи полного лагранжева подхода (ПЛМ) (Osiptsov А.N. Lagrangian modeling of dispersed admixture in gas flows // Astrophys. Space Sci. 2000. V. 274 P. 377-386.), позволяющего рассчитывать с контролируемой точностью двухфазные течения при наличии перечисленных выше особенностей Рассмотрены примеры двухфазных течений с локальными зонами накопления частиц (сталкивающиеся потоки, течение типа «торнадо», течения с пересекающимися ударными волнами, пограничный слой за движущейся ударной волной и др.) Обсуждается развитие ПЛМ для расчета параметров сред, описываемых кинетическими бесстолкновительными моделями, для исследования полей градиентов плотности в стратифицированных течениях неоднородных сред и др. Предложен комбинированный полностью лагранжев (бессеточный) подход для расчета двумерных нестационарных газодисперсных течений с вязкой несжимаемой несущей фазой, сочетающий преимущества ПЛМ и метода вязких дискретных вихрей. Возможности метода продемонстрированы на примере нестационарной задачи о двухфазной струе, инжектируемой в затопленное пространство.

II. Представлен ряд новых результатов по исследованию двухфазных течений с ударными волнами. Изучено регулярное (симметричное и несимметричное) взаимодействие пересекающихся плоских скачков уплотнения в стационарном газодисперсном потоке. Обнаружена возможность формирования волновых структур, в которых все либо только некоторые из падающих или отраженных волн вырождаются в так называемые «волны с полной дисперсией», т.е. узкие зоны непрерывного изменения параметров обеих фаз. Проведена параметрическая классификация возможных волновых структур, включающих волны с полной дисперсией, при регулярном несимметричном взаимодействии волн в стационарном запыленном потоке.

Исследованы две новые схемы аэродинамической фокусировки частиц в двухфазных течениях с ударными волнами. Первая схема — это фокусировка примеси на оси течения за ударной волной, движущейся с постоянной скоростью в цилиндрическом или плоском микроканале постоянного сечения. Вторая схема — фокусировка инерционных дисперсных частиц в ударном слое плоского затупленного тела, обтекаемого стационарным гиперзвуковым потоком запыленного газа в условиях, когда на головную ударную волну падает косой скачок уплотнения. Показано, что в случае умеренно инерционных частиц в ударном слое возникают узкие «пучки» частиц, в которых концентрация дисперсной фазы резко возрастает. При попадании таких «пучков» частиц на обтекаемую поверхность возникают пиковые тепловые нагрузки, которые значительно превосходят тепловые нагрузки в лобовой точке цилиндра, обтекаемого запыленным потоком без падающего косого скачка.

III. Развита теория гидродинамической устойчивости плоскопараллельных течений

дисперсных сред с учетом подъемных сил, действующих на частицы в сдвиговых потоках, рассогласования скоростей фаз в основном течении и конечности объемного содержания дисперсной фазы. Показано, что учет перечисленных факторов в модифицированном уравнении типа Орра-Зоммерфельда для возмущений двухфазного течения кардинально изменяет предсказания классической теории устойчивости Сэфмана. Определены диапазоны определяющих параметров, в которых наличие даже небольшой концентрации дисперсной примеси может существенно изменить границы ламинарного режима для течений в пограничном слое и плоском канале.

Впервые разработана теория немодальной (алгебраической) неустойчивости плоскопараллельных дисперсных потоков, основанная на поиске так называемых «оптимальных» трехмерных возмущений, приводящих к резкому нарастанию энергии возмущений на конечном интервале времени. Проведено параметрическое численное исследование оптимальных трехмерных возмущений течения запыленного газа в плоском канале с неоднородным распределением частиц в виде двух разнесенных пылевых слоев, расположенных симметрично относительно плоскости симметрии канала. Получено, что, как и в случае течения чистой жидкости, глобальные оптимальные возмущения (обладающие максимумом энергии в пространстве определяющих параметров: волновых чисел и времени) представляют собой полосчатые структуры, вытянутые вдоль потока.

Соавторами отдельных результатов являются С.А. Боронин, Бо-И Ван, И.В.Голубкина, Н.А. Лебедева, В.И. Сахаров, О.Д. Рыбдылова.