ИСТИНА

Развитие оптических методов количественной визуализации течений в последние десятилетия позволило получать мгновенные двух- или трехмерные распределения скорости, температуры и плотности и выполнять непосредственное сравнение результатов лабораторных экспериментов с численным моделированием. Но для некоторых важных гидродинамических величин – давления, турбулентной вязкости – нет методов, позволяющих непосредственно измерить их мгновенные поля. Кроме того, основной метод измерения полей скорости – цифровая трассерная визуализация (PIV) – обладает рядом ограничений. В частности, измерение полей скорости в крупномасштабных течениях, представляющих интерес для промышленных приложений, требует очень мощного импульсного лазера и скоростных камер с разрешением заметно выше, чем у современных. Плотный засев течения частицами в некоторых случаях приводит к искажению поля скорости, а в некоторых случаях использование засева и мощного лазерного излучения нежелательно по соображениям безопасности. Кроме того, даже в лабораторных условиях трудно выполнить одновременные измерения полей скорости и плотности, а мгновенное поле течения может не воспроизводиться в другом запуске эксперимента. Это привело к попыткам создания методов измерения скорости на основе теневых методов, которые не требуют засева течения частицами и могут использоваться для измерения крупномасштабных течений, а также к появлению методов ассимиляции данных, в которых измеренные мгновенные поля одной величины подставляются в уравнения гидродинамики, чтобы найти поля других величин. В частности, популярны методы определения мгновенных и средних полей давления и средних полей энергии турбулентных флуктуаций по данным цифровой трассерной визуализации. В проекте предлагается использовать в качестве исходных данных для определения полей скорости, давления и турбулентной вязкости поля температуры и плотности, измеренные теневым фоновым методом (ТФМ). Этот метод является абсолютно бесконтактным, очень прост в реализации и может быть использован для измерения крупномасштабных течений в промышленных условиях. Нашей группой уже была показана возможность определения полей скорости и давления при ламинарной естественной конвекции на основе полученных с помощью ТФМ мгновенных полей температуры. В рамках проекта планируется обобщить этот подход для других типов течений: турбулентных течений, в которых помимо скорости и давления требуется также найти распределение турбулентной вязкости, а также для течений, в которых влиянием естественной конвекции можно пренебречь, в частности, струй. Кроме того, в рамках проекта будут выполнены измерения скорости, давления и турбулентной вязкости в изотермических течениях с переменной плотностью. Сначала в качестве исходных данных будут использованы результаты одноракурсного ТФМ – двумерные и осесимметричные поля температуры и плотности. При этом будут определены также двумерные и осесимметричные поля скорости, давления и турбулентной вязкости. Затем будет реализован томографический вариант ТФМ со съемкой несколькими камерами и с помощью ассимиляции данных проведено определение полей скорости, давления и турбулентной вязкости для трехмерного течения. Результаты, полученные с помощью ТФМ и ассимиляции данных, будут сравниваться с результатами численного моделирования и цифровой трассерной визуализации. На основе выполненного сравнения будут определены точность и условия применимости предлагаемых методов бесконтактного комплексного исследования течений.

ecent development of the optical quantitative flow visualization techniques allowed measurements of instantaneous 2D or 3D distributions of velocity, temperature and density and direct comparison of laboratory experiments results with numerical simulations. But for the instantaneous fields of some important hydrodynamic quantities (pressure, eddy viscosity) there are no direct measurement techniques. Also, the most popular technique for the velocity fields measurements – Particle Image Velocimetry (PIV) – has several limitations. For example, measurements of large-scale flows, important for industrial applications, require usage of powerful pulse laser and high-speed cameras with much better resolution compared to currently available. Dense seeding of the flow with particles leads in some cases to modification of the velocity field. In some applications the seeding and use of intense laser illumination are undesired for safety reasons. Also, even in laboratory experiments it is hard to measure simultaneously both velocity and temperature fields, and the instantaneous flow state cannot be reproduced in subsequent experimental run. This led to attempts to develop seedless velocimetry techniques, based on schlieren methods, which can be used for large-scale flows, and to emergence of data assimilation techniques, which use measured instantaneous fields of some quantities and numerical solution of fluid-dynamic equations to find the fields of other quantities. In particular, the techniques for determination of the instantaneous and mean pressure fields and the mean turbulent kinetic energy fields from PIV data are very popular. In the project it is proposed to use the temperature and density fields, measured by Background Oriented Schlieren (BOS), as input data for determination of the velocity, pressure and eddy viscosity fields. BOS is completely nonintrusive technique, easy-to-realize and applicable to measurements of large-scale flows in industrial environments. Our research group has already demonstrated the possibility of the velocity and pressure fields determination in laminar natural convection flows, using the instantaneous temperature fields measure by BOS. Current project aims to extend this approach for other flows: turbulent flows, which require also determination of the eddy viscosity distribution, and the flows, where the effect of buoyancy is negligible, e.g. jets. Also, the velocity, pressure and eddy viscosity will be measured for isothermal flows with inhomogeneous density. At the first stage the results of single-view BOS measurements (2D and axisymmetric temperature and density distributions) will be used as input data for determination of 2D and axisymmetric velocity, pressure and eddy viscosity fields. Then tomographic BOS will be realized, using multiple cameras, and the velocity, pressure and eddy viscosity fields will be determined by data assimilation for 3D flow. The results, obtained with BOS and data assimilation will be compared with numerical simulations and PIV measurements. This comparison will enable us to determine the accuracy and limitations of the proposed nonintrusive comprehensive flow measurement technique.

Ожидается, что предлагаемые методы ассимиляции данных позволят получать мгновенные распределения скорости, давления и турбулентной вязкости по экспериментальным данным теневого фонового метода (ТФМ) в течениях прозрачных сред с пространственными вариациями показателя преломления. Экспериментальное определение распределения турбулентной вязкости имеет огромное значение для верификации различных RANS-моделей

Научная группа имеет существенный задел по применению теневого фонового метода для исследований полей температур С 1 января 2018 года опубликовано 10 статей, индексированных в Scopus Web of Science

В проекте предлагается использовать в качестве исходных данных для определения полей скорости, давления и турбулентной вязкости поля температуры и плотности, измеренные теневым фоновым методом (ТФМ).