Моделирование многофазных и многокомпонентных потоков в природных и технологических процессахНИР

Modeling of multiphase and multicomponent flows in natural and engineering processes

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Моделирование многофазных и многокомпонентных потоков в природных и технологических процессах
Результаты этапа: Для решения задач о течении вязкой жидкости в окрестности периодической текстуры на супергидрофобной поверхности разработан комплекс программ на ЭВМ, основанный на методе граничных интегральных уравнений для уравнений Стокса. Для ряда примеров течений, вызванных заданным сдвигом скорости вдали от стенки, численно получены зависимости осредненной скорости скольжения от параметров текстуры: доли газового участка, формы межфазной границы и смещения межфазной границы внутрь каверны. Показано, что учет кривизны мениска на межфазной границе приводит к заметному снижению осредненной скорости скольжения по сравнению с идеализированными расчетными схемами с плоской межфазной границей. Смещение точек закрепления мениска со стенками внутрь микрокаверны также приводит к снижению осредненной скорости скольжения. Разработанный метод вычисления осредненной скорости скольжении может быть использован для оптимизации текстуры промышленных супергидрофобных поверхностей. Агеевым А.И. защищена кандидатская диссертация на тему «Течения вязкой жидкости вдоль супергидрофобных поверхностей». Получил дальнейшее развитие бессеточный метод для расчета нестационарных вихревых газодисперсных потоков, объединяющий метод вязких вихревых доменов для уравнений Навье-Стокса и полный лагранжев подход для дисперсной фазы применительно к исследованию импульсных двухфазных струй. Проведено параметрическое численное исследование задачи о теплообмене между двухфазным сверхзвуковым пограничным слоем и однофазным дозвуковым пограничным слоем, разделенным тонкой теплопроводой либо теплоизолированной пластиной. Теоретически исследована дисперсия броуновских частиц в течении вязкой жидкости в канале с супергидрофобными стенками, на которых имеются скрещенные полосчатые текстуры, не совпадающие с направлением течения. Асмоловым Е.С. защищена докторская диссертация на тему "Поперечная миграция малых сферических частиц в сдвиговых и нестационарных потоках”. Развита рациональная асимптотическая теория, не содержащая эмпирических констант и описывающая динамический и тепловой турбулентный пограничный слой на пластине при нулевом градиенте давления. В рамках трехмерной кинетико-МГД модели гелиосферного ударного слоя проведено численное параметрическое моделирование процесса дрейфового ускорения захваченных протонов на гелиосферной ударной волне с учетом анизотропии функции распределения захваченных протонов по скоростям, а также вариаций направления гелиосферного магнитного поля.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Моделирование многофазных и многокомпонентных потоков в природных и технологических процессах
Результаты этапа: Получил дальнейшее развитие полный лагранжев подход для описания распределения концентрации инерционной примеси в нестационарных и вихревых потоках. Проведено численное исследование распределения инерционной дисперсной примеси в импульсной двухфазной струе, распространяющейся в цилиндрическом контейнере, определены зоны максимального накопления дисперсной фазы. Начато исследование возможности применения полного лагранжева подхода к описанию распределения примеси в турбулентных потоках при определенных ограничениях на параметр инерционности частиц. Проведены расчеты поля концентрации частиц в одномерном нестационарном течении (в трубе Кнудта) с гармоническим поведением поля скорости несущей фазы при наложенных малоамплитудных и высокочастотых колебаниях. Лагранжевы объемы дисперсной фазы при этом претерпевают множественные самопересечения с образованием зон накопления частиц на каустиках. Продолжено развитие метода граничных интегральных уравнений применительно к описанию стоксовых течений вязкой жидкости вблизи текстурированной супергидрофобной поверхности, содержащей микропузырьки. Рассмотрен общий случай произвольного угла между скоростью потока и полосчатой текстурой, содержащей двумерные прямоугольные каверны, частично заполненные газовой фазой. Проведены параметрические расчеты поля скорости вблизи каверны с пузырьком газа, рассчитаны главные компоненты тензора скольжения на полосчатой супергидрофобной поверхности. Рассмотрена диффузия броуновских частиц в канале с супергидрофобными стенками под действием градиента давления. Среднее течение в канале со скрещенными полосатыми стенками представляет собой суперпозицию течений Пуазейля, поперечного сдвига и однородного течения скольжения, а течение в поперечном направлении сопровождается образованием пары вихрей. Проведено компьютерное моделирование дисперсии ансамбля частиц, которое подтвердило оценки и определило оптимальные значения диффузионных чисел Пекле в зависимости от длины канала. Разработана квазидвумерная математическая модель, описывающая вынужденную конвекцию суспензии в двумерном вертикальном слоте при неоднородном распределении дисперсной фазы по толщине слота. Разработан численный алгоритм для расчета двумерных нестационарных течений суспензии под действием силы тяжести. Начато исследование поведения свободных пленок вязкой жидкости в условиях открытого космоса. Проведен предварительный анализ линейной устойчивости свободной вязкой пленки в вакууме с учетом неизотермичности течения. Показано, что в отсутствие механизма неустойчивости Кельвина-Гельмгольца наибольший инкремент нарастания имеют моды, обусловленные переменностью вязкости жидкости по толщине пленки. Установлены законы подобия для скорости и температуры, справедливые в пристеночной области до- и сверхзвукового турбулентного пограничного слоя,которые позволяют представить профили скорости и температуры в потоке сжимаемого газа через профили этих величин в несжимаемом пограничном слое. Они получены как асимптотические разложения решения уравнений Рейнольдса по малому параметру - числу Маха, вычисленному по динамической скорости и энтальпии газа на стенке. Кроме постоянной Кармана и турбулентного числа Прандтля в логарифмической области, известных для течения несжимаемой жидкости, полученные соотношения содержат три новые универсальные константы, которые не зависят от молекулярных свойств и отношения теплоемкостей газа. Продолжено кинетико-магнитогидродинамическое моделирование областей взаимодействия звездных (включая солнечных) ветров с окружающей их межзвёздной средой. В частности, проведено численное моделирование распределения межзвездной пыли в астросферах – областях взаимодействия звездного ветра с межзвездной средой. Изучено движение пыли в случае параллельного и перпендикулярного магнитных полей. Оказалось, что влияние силы Лоренца приводит к образованию слоистых структур в области внешнего ударного слоя (снаружи контактного разрыва – астропаузы) в случае, когда гирорадиус пылинки сравним с характерным размером области взаимодействия. Подобные структуры наблюдаются в астросферах нескольких звезд (κ Cas, θ Car and β CMa, Vela X-1 и др.).
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Моделирование многофазных и многокомпонентных потоков в природных и технологических процессах
Результаты этапа: Полный лагранжев подход развит для описания распределения инерционной дисперсной примеси в турбулентных потоках, осредненные параметры которых рассчитываются методами типа методов крупных вихрей (LES). Основной целью исследования являлась разработка эффективного численного алгоритма для описания локальных зон преимущественной аккумуляции частиц в однородных турбулентных потоках. Полный лагранжев метод развит также на случай вычисления гессиана (якобиана, образованного вторыми частными производными) преобразования от эйлеровых к лагранжевым переменным. Рассмотрен случай умеренно инерционных частиц, когда их конвективный перенос осуществляется крупномасштабными (осредненными) турбулентными структурами, рассчитанными методом крупных вихрей, а дополнительный перенос примеси подсеточной турбулентностью может быть описан в диффузионном приближении. Для различных значений параметра инерционности частиц проведены численные исследования полей концентрации дисперсных частиц в кубической ячейке, занятой полем однородного изотропного турбулентного течения вязкой жидкости. На основе сравнения расчетов в рамках развитого эйлерово-лагранжева подхода с прямыми численными расчетами трехмерного затухающего однородного турбулентного газодисперсного течения в кубической ячейке показано, что предлагаемый подход, основанный на модифицированном полном лагранжевом методе, позволяет успешно рассчитывать турбулентные течения с формированием локальных зон пересекающихся траекторий частиц в осредненном поле течения, возникновением каустик и узких областей повышенной концентрации частиц. С использованием метода граничных интегральных уравнений проведено параметрическое численное исследование медленного течения вязкой жидкости в микроканале, образованном текстурированными стенками, имеющими периодическую полосчатую структуру. Рассмотрен случай, когда стенки канала - полосчатые супергидрофобные поверхности, каверны которых содержат газовые пузырьки, а также случай, когда каверны полностью заполнены протекающей жидкостью. Задача снижения гидродинамического сопротивления в микроканале с текстурированными стенками исследована в наиболее обшей постановке, когда размер и расстояния между кавернами на противоположных стенках канала различны. Установлено, что заметное снижение сопротивления микроканала происходит не только при использовании супергидрофобных стенок, но и в случае, когда микрокаверны заполнены жидкостью. Изучены подъемные силы инерционной природы, действующие на сферические частицы в микроканалах и вызывающие поперечное смещение частиц и их фокусировку на определенном расстоянии от стенок канала. Предложено обобщение теоретических результатов, ранее полученных для малых чисел Рейнольдса, на случай конечных чисел Рейнольдса и конечного отношения размера частиц к ширине канала. Для проверки теоретической модели проведено компьютерное моделирование миграции частиц на основе метода решеточного уравнения Больцмана. В случае, когда плотности несущей фазы и материала частиц заметно отличаются, помимо подъемной силы на частицу также действуют сила тяжести и сила Архимеда, что может сильно сместить положение равновесия или даже привести к его исчезновению. Разработанная модель фокусировки частиц может быть полезной для управления равновесным положением частиц и эффективной сортировки частиц по размерам в течениях в микроканалах. В рамках классических подходов теории гидродинамической устойчивости проведен анализ линейной устойчивости неизотермической свободной невесомой плоской пленки вязкой теплопроводной жидкости, движущейся в вакууме. Найдены два качественно различных механизма неустойчивости. Коротковолновая неустойчивость вызывается неоднородностью вязкости поперек пленки вследствие развития неоднородного профиля температуры вниз по потоку как результат охлаждения жидкости тепловым излучением с ее поверхности. По этой же причине температура поверхностей пленки уменьшается вниз по потоку, а формирующийся градиент поверхностного натяжения приводит к возникновению длинноволновой неустойчивости. На основе параметрического численного анализа задачи на собственные значения для обобщенного уравнения Орра-Зоммерфельда показано, что коротковолновый механизм неустойчивости обладает бóльшими коэффициентами усиления и может приводить к распаду свободной пленки. Теоретически исследовано затухающее двумерное однородное и изотропное турбулентное течение в автомодельном пределе больших чисел Рейнольдса, образованных по времени и кинетической энергии потока, когда начальное значение усредненной энстрофии стремится к бесконечности при вязкости, стремящейся к нулю. Показано, что в этом случае скорость диссипации энстрофии имеет ненулевой конечный предел. Исследованы корреляционная функция поля завихренности и спектральная плотность энстрофии в инерционном интервале расстояний и волновых чисел, где эти функции свободны от влияния вязкости и параметров крупномасштабного течения. Показано, что в затухающей двумерной автомодельной турбулентности инерционный интервал существует в физическом пространстве, но отсутствует в пространстве волновых чисел. Это означает, что турбулентные вихри соответствующего размера не дают вклада в спектральную плотность, а известный закон минус первой степени не выполняется. На основании численного моделирования в рамках трехмерной магнитогидродинамическй модели звездного ветра исследован эффект коллимации потока звездного ветра в направлении оси вращения звезды в области астросферного ударного слоя между внутренней ударной волной и астропаузой. Этот эффект, связанный с влиянием тороидальной компоненты магнитного поля звезды, приводит к образованию, вместо классической кометообразной формы, астросферы с двумя хвостами. Впервые данный эффект рассмотрен с учетом относительного движения звезды сквозь окружающее межзвездное пространство. Показано, что в случае частично ионизованной межзвездной среды перезарядка между нейтральными атомами и протонами приводит к удалению точки торможения далеко в хвост астросферы, в результате чего структура с двумя хвостами не реализуется.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".