Отрывные турбулентные течения типа «уловленный вихрь»

Отрыв потока с поверхности тел или стенок каналов приводит, как правило, к ухудшению аэродинамических характеристик соответствующих объектов, но не во всех случаях. Если отрывная зона остается стабильно локализованной на одном и том же участке обтекаемой границы, например — крылового профиля, и не происходит выброса вихрей в основное течение, то такая ситуация может быть вполне благоприятной. Соответствующее отрывное течение получило в литературе название «уловленный вихрь» или «trapped vortex». Одним из способов формирования уловленного вихря является применение вихревых ячеек в виде различных вырезов и искусственных рельефов [1]. При этом объединенная граница тела и уловленного вихря представляет собой некоторую обобщенную внешнюю границу, обтекаемую безотрывно, однако требуются меры поддержания стабильности локализованных таким образом вихревых структур. Основные результаты лаборатории по данному направлению получены в рамках участия в совместных проектах с коллегами из других лабораторий института (М. А. Зубин, Г. Ю. Степанов, В. А. Бучин), а также других научных центров в России (С. А. Исаев, А. Е. Усачов) и за рубежом (С. И. Чернышенко, I. Castro), в частности, — в рамках международного проекта Vcell2050TTC (2006–2009 г.).

В лаборатории построена специализированная экспериментальная установка ВиЯ (вихревая ячейка), позволившая исследовать свойства уловленного вихря на стенке плоско-параллельного и диффузорного каналов [2]. Осуществлена визуализация дозвукового обтекания вихревых ячеек. Обнаружены режимы течения, когда уловленный вихрь теряет устойчивость и происходит периодический выброс крупных дискретных вихревых образований из ячейки в основной поток [1]. Опробованы способы стабилизации слоя смешения на границе уловленного вихря с помощью проницаемых поверхностей и систем управления вдувом/отсосом с обратной связью. Получены экспериментальные данные о влиянии градиента давления во внешнем потоке и отсоса через проницаемое центральное тело в вихревой ячейке на характеристики и устойчивость уловленного вихря [3]. Результаты нашли применение для верификации вычислительных технологий расчета внутренних турбулентных течений [4].

В задаче о трехмерном обтекании и теплоотдаче углублений на плоской стенке получены результаты, имеющие принципиальное значение для понимания механизмов генерации вихревых структур, влияющих на сопротивление и теплообмен поверхностей с искусственными рельефами. Экспериментально [5] и численно [6] идентифицированы метастабильные состояния несимметричного обтекания глубоких сферических лунок, определены их термогидравлические характеристики.

Изучен перенос инерционной дисперсной фазы из лунки во внешний поток. Отличия в структуре течения внутри лунки при различных режимах приводят к различным типам траекторий инерционных частиц [6]. Наиболее эффективным для выноса из лунки частиц дисперсной фазы является несимметричный режим обтекания лунки. В прикладном плане результат важен при проектировании устройств с луночным покрытием, для которых оседание дисперсной фазы является нежелательным, например, запыление устройств охлаждения элементов микроэлектроники.

1. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) / П. А. Баранов, С. В. Гувернюк, А. В. Ермишин, М. А. Зубин, В. Л. Жданов, С. А. Исаев, Ю. С. Пригородов, А. Г. Судаков, В. Б. Харченко, С. И. Чернышенко — М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003. — 360 с.

2. Численное и физическое моделирование циркуляционного течения в вихревой ячейке на стенке плоскопараллельного канала / П. А. Баранов, С. В. Гувернюк, М. А. Зубин, С. А. Исаев. // Изв. РАН, МЖГ, 2000. № 5. C. 44–56.

3. Численное и физическое моделирование низкоскоростного воздушного потока в диффузоре с круговой каверной при отсосе с центрального цилиндрического тела / С. А. Исаев, С. В. Гувернюк, М. А. Зубин // Инженерно-физический журнал, 2015. Т. 88. № 1. С. 182–195.

4. Применение различных моделей турбулентности для расчета несжимаемых внутренних течений / П. А. Баранов, С. В. Гувернюк, М. А. Зубин, С. А. Исаев, А. Е. Усачов // Ученые записки ЦАГИ, 2017. Т. 48. № 1. С. 26–36.

5. О структуре пристеночных течений при турбулентном обтекании полусферических лунок / Гувернюк С. В., Зубин М. А. // Тезисы докладов пятой международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». Россия, Казань, 19–22 октября 2015 года. — СПб: «Своё издательство», 2015. С. 120–121.

6. О движении инерционных частиц при турбулентном обтекании сферических углублений / Чулюнин А. Ю., Кубенин А. С., Сыроватский Д. А. // ДАН, 2017. Т. 473. № 5. С. 552–556.