ИСТИНА

Проект направлен на совершенствование и применение вычислительных подходов к исследованию турбулентных течений, для решения вопросов, включающих в себя разработку физических теорий, математических моделей и расчетных методик для определения основных характеристик турбулентных течений, предсказания поведения турбулентных потоков, отыскания способов управления турбулентностью.

One of the interesting and important manifestations of turbulence from a practical point of view is the ability to cause so–called secondary flows – organized fluid movements in a plane perpendicular to the direction of the main flow. The inhomogeneity of the flow field in the spanwise direction changes the local properties of the flow turbulence, which generates Reynolds stress gradients and leads to the appearance of motion in a plane perpendicular to the direction of the main flow. Prandtl proposed to call the secondary currents caused by turbulence secondary currents of the 2nd kind, in contrast to the secondary currents of the 1st kind, which occur in curved flows under the influence of centrifugal effects, both in turbulent and laminar flows. Despite the relatively low intensity, secondary flows of Prandtl's 2nd kind (hereinafter referred to as SFP2K) make a significant contribution to the processes of transverse momentum and heat transfer, in some cases comparable to the contribution of turbulent diffusion. The properties of SFP2K are intensively studied experimentally and, especially, numerically in order to create adequate approximate models of their description, adjust semi-empirical models of turbulence, and search for methods for controlling turbulent flows. At present, extensive scientific material has been accumulated on the properties of stationary turbulent flows in the presence of SFP2K. Among others, the recently discovered effect of a faster increase in convective heat transfer compared to the increase in friction on the solid walls of a plane channel in the presence of longitudinal ribs that create SFP2K is interesting. This effect has the potential for application in the creation of new efficient heat exchange surfaces. The solution to this problem is especially relevant for the turbulent flow modes of the coolant, which are most often implemented in engineering applications. In this connection, the possibility of combining the effect of heat exchange intensification by secondary flows with the known effects of heat exchange changes in dynamically nonequilibrium turbulent flows is interesting: flows in pipes with a pulsating flow rate, flows with a longitudinal pressure gradient (for example, in narrowing and expanding channels). The objective of this project is to develop the foundations of the theory of SFP2K in dynamically nonequilibrium turbulent flows based on the study of the conditions for the occurrence and features of the development of SFP2K in flows that change in time and/or space. The project provides for detailed studies of hydrodynamic and thermal processes in turbulent near-wall flows in the presence of SFP2K, initiated by artificial inhomogeneity in the spanwise direction by placing longitudinal ribs on the streamlined surfaces. The scale of the project task is determined by a large number of parameters and flow control factors (flow disturbances by artificial roughness of the streamlined surface, pressure gradient, and non-stationarity), a variety of phenomena and processes under study (heat transfer, hydraulic resistance, flow separation), and their non-stationarity and non-equilibrium. The objectives of the project have a potential innovative focus for applications in the field of heat exchange equipment and cooling systems of thermal machines. The result of this project will be the creation of a foundation in the formation of a system of new knowledge about the features of the development and establishment of SFP2K in developing and steady-state turbulent flows, in flows with forced flow pulsations, and in dynamically non-equilibrium turbulent flows in the presence of a longitudinal pressure gradient. The features of turbulent heat and momentum transfer in each of the listed flow classes will be identified, and the prospects for using SFP2K in technical applications will be evaluated. The proposed research topic represents a new direction in the study of turbulent flows and has no analogs in the world literature. For the reasons outlined above, the project objectives are not only of fundamental interest but also clearly innovative in the field of improving heat exchange equipment and cooling systems of heat engines. In fundamental terms, the relevance of the study is to establish new knowledge about the features of the formation of SFP2K in the conditions of non-stationary and dynamically non-equilibrium turbulent flow, about the impact of SFP2K on the processes of heat and momentum transfer. We hope that the results obtained in the framework of the project will attract the attention of other research groups, both in Russia and abroad, and will serve as a starting point for the development of a new direction of theoretical and experimental research of secondary flows in dynamically nonequilibrium turbulent flows.

К концу первого года работы по проекту будут получены следующие конкретные научные результаты: 1. Будет разработан способ численного моделирования турбулентного течения в канале с изменяющейся вдоль потока средней скоростью путём организации вдува/отсоса через стенку/стенки и стоков/источников массы внутри потока. 2. Будут определены особенности формирования и эволюции ВТП2Р в нестационарных пульсирующих потоках в канале с оребрёнными стенками. 3. Будут определены качественные и количественные характеристики влияния ВТП2Р на турбулентное течение и теплоперенос в нестационарных пульсирующих потоках в канале с оребрёнными стенками. 4. Будут определены особенности формирования и эволюции ВТП2Р в пространственно неравновесных потоках в канале с оребрёнными стенками при разных способах организации пространственной неравновесности. 5. Будут определены качественные и количественные характеристики влияния ВТП2Р на турбулентное течение и теплоперенос в пространственно неравновесных потоках в канале с оребрёнными стенками при разных способах организации пространственной неравновесности.

Руководитель проекта является одним из мировых лидеров по исследованию свойств ВТП2Р, что подтверждается публикациями. Коллективом была создана линейка численных методов решения задач динамики жидкости, включая прямое численное моделирование турбулентных течений с использованием многопроцессорных вычислительных систем. Были разработаны оригинальные схемы аппроксимации уравнений Навье-Стокса, разработаны быстрые методы решения больших систем линейных алгебраических уравнений на многопроцессорных системах. Членами научного коллектива проведены исследования фундаментальных свойств ряда конкретных турбулентных течений, по результатом которых опубликованы десятки статей в ведущих российских и зарубежных журналов, включая журналы уровня Q1.

Результатом выполнения данного проекта станет создание задела в формировании системы новых знаний об особенностях развития и установления ВТП2Р в развивающихся и установившихся турбулентных течениях, в течениях с вынужденными пульсациями потока и в динамически неравновесных турбулентных течениях при наличии продольного градиента давления. Будут выявлены особенности турбулентного переноса тепла и импульса в каждом из перечисленных классов течений, оценены перспективы использования ВТП2Р в технических приложениях.