Исследование вихревой структуры течений и, в частности, крупномасштабных энергонесущих вихрей, составляет значительную часть современной гидрои аэромеханики. Вихревые структуры вносят существенный вклад в процессы переноса и могут служить источником шума. Вихри образуются в результате развития неустойчивости в сдвиговых течениях и при отрывном обтекании тел. Отрыв, по сути, — явление нестационарное. Вопросы зарождения, развития, неустойчивости и формирования вторичных вихревых структур в отрывных течениях и следах требуют развития новых подходов моделирования. Особо важно знать вихревую структуру потока при создании и эксплуатации технических устройств, использующих закрутку потока. С целью интенсификации процессов вихревые аппараты эксплуатируются на режимах с повышенной закруткой потока. При этом течение оказывается существенно трехмерным и, как правило, нестационарным. Структура таких течений, особенно с теоретической точки зрения, изучена недостаточно. Наконец, заметим, что создание новых и развитие существующих моделей вихревых структур актуальны в связи с развитием вихревой концепции в теории турбулентности.
На современном этапе исследований закрученных потоков стало ясно, что основную роль в них играют трехмерные вихревые структуры винтовой формы (см. обзор [С.В. Алексеенко, В. Л. Окулов, 1996]). В то же время до сих пор в огромном потоке публикаций преобладают работы, игнорирующие новые представления о сложной пространственной структуре сильнозакрученных потоков. Хотя для улучшения эффективности вихревых аппаратов увеличивают закрутку потока (при этом течение становится существенно не осесимметричным), в основной массе публикаций их продолжают рассматривать с позиций устаревших представлений. В создании расчетных методов здесь преобладают упрощенные осесимметричные модели, игнорирующие пространственную структуру реального течения. Многие экспериментальные исследования все еще ограничиваются лишь измерением осредненных характеристик потока, по которым невозможно получить представление о пространственной структуре реального течения. Продолжает удивлять живучесть устаревших (осредненных) подходов, несмотря на работы Faler & Leibovich [1977] и многих других исследователей по неустойчивости закрученных потоков и монографию А. Гупта [1987], определившую задачу изучения потери устойчивости и образующихся сложных вихревых структур как основную проблему дальнейшего развития вихревых технологий. Понятно, что без изучения трехмерной структуры сильно закрученного потока невозможно правильно оценить новые конструкторские решения и найти границы переходных зон работы для вихревых аппаратов, нельзя определить, достигнута ли максимальная эффективность в существующих технологиях, и создать теорию подобия сильно закрученных потоков, необходимую для решения задач масштабирования вихревых аппаратов.
При изучении трехмерных нестационарных течений важную роль играют модели трехмерных вихревых структур. Поле скорости, индуцированное прямолинейной вихревой нитью или вихревой нитью кольцевой формы описывается достаточно простыми формулами (см., например, [Г. Ламб, 1947]]. Эти простейшие модели послужили основой создания моделей колоннообразных вихрей и вихревых колец, а также для развития вихревых методов расчета плоских и осе-симметричных течений, обзор которых можно найти в книге С.М. Белоцерков-ского, М. И. Ништа [1978]. Третья по сложности после прямолинейной и кольцевой — винтовая вихревая нить оказалась изучена совершенно недостаточно. Обычное представление скорости через интеграл Био-Савара приводит к интегрированию осциллирующих функций на бесконечном интервале. J.C. Hardin [1982] нашел подходящее преобразование интегралов и получил аналитическое решение для поля скорости, индуцированного винтовой вихревой нитью в безграничном пространстве. Поле скорости при этом было записано через бесконечные ряды от модифицированных функций Бесселя. Дополнительная сложность возникает при попытке моделирования ограниченных течений, в частности, течений в трубах. В отличие от прямолинейных и кольцевых вихревых нитей, для которых наличие стенок можно учесть с помощью принципа отражения, для винтовой геометрии вихря последний не работает.
За последние годы был достигнут значительный прогресс в изучении винтообразных вихревых структур в ограниченных закрученных потоках. Теоретические исследования здесь базируются на точном решении для поля скорости, индуцированного простейшей структурой, — бесконечно тонкой винтовой вихревой нитью в цилиндрической трубе. Решение впервые получил В. Л. Окулов [1993], сведя задачу к решению дифференциального уравнения на функцию тока. Поле скорости, как и у Hardin [1982] представлено через бесконечные ряды от модифицированных функций Бесселя, но удовлетворяет условию непротекания на стенке трубы. Еще одно преимущество работы В. Л. Окулова заключается в прямом выделении особенностей в найденном решении. Сингулярные члены выражены через элементарные функции и содержат основную информацию о структуре течения.
Полученный В. Л. Окуловым результат послужил отправной точкой серии исследований, результаты которых представлены в данной диссертации. В частности, впервые путем численной визуализации проведен анализ структуры течения, индуцированного винтовой вихревой нитью в безграничной жидкости и в цилиндрической трубе в зависимости от параметров вихря.
Анализ экспериментальных данных по закрученным потокам [И.И. Смульский, 1992; А. А. Халатов, 1989; А. Н. Штым, 1985; А. Гупта и др., 1987; Escudier, 1984; Escudier et al., 1980, 1982 и др.] дает основание утверждать, что даже в случае осевой симметрии вихревые линии в таких течениях не прямолинейные, а винтообразные. Это означает, что профиль осевой скорости — неоднородный. Для аппроксимации опытных данных исследователи подбирают функции чаще всего интуитивно. В то же время, если предположить, что вихревые линии — канонические винтовые спирали, то удается описать обе компоненты скорости — окружную и осевую — через одну функцию, получаемую путем интегрирования радиального распределения осевой компоненты завихренности.
В диссертации построен целый класс моделей колоннообразных вихрей с винтовыми вихревыми линиями, пригодный для описания структуры различных закрученных течений. В результате обобщены известные модели вихрей — вихря Рэнкина [Г. Дамб, 1947], вихря с дробно-рациональной функцией распределения завихренности [Scully, 1975] и вихря Ламба (см. [Hopfmger & van Heijst, 1993].
Модель винтового вихря с ядром конечного размера давно привлекает внимание ученых-гидродинамиков. В первую очередь это связано с прикладными задачами: следом за гребным винтом [Н.Е. Жуковский, 1912, 1937а, 19 376], пропеллером или гидротурбиной [Fanelli, 1989]. Однако факт конечного использовался лишь для оценки скорости самоиндуцированного движения вихря. Распределение скоростей в течении, индуцированном таким вихрем, до сих пор найдено не было. В данной работе сделан первый шаг на пути построения такой модели, а именно — найдены профили скоростей, осредненных по угловой координате. Если в эксперименте винтообразный вихрь совершает вращательное движение, то осреднение по углу будет соответствовать осреднению по времени, что позволяет проводить сопоставление опытных и модельных профилей. Тем самым по осредненным профилям скорости можно восстановить локальную пространственную структуру потока. В более полной постановке требуется решение задачи о сшивке вихревого и потенциального течений (при однородном распределении осевой завихренности в ядре) и определение формы ядра. В предложенной же модели рассмотрено круговое сечение ядра, что справедливо либо для тонких ядер, либо, наоборот, для слабоискривленных колоннообразных вихрей.
Теоретические подходы к оценке скорости самоиндуцированного движения винтовых вихревых струюур достаточно широко пред’ставлены в литературе. Однако все исследователи ограничиваются здесь изучением вихревых нитей в безграничном пространстве. Это объясняется тем, что для описания вихрей используется закон Био — Савара, который является удобным инструментом в неограниченных областях и становится мало пригодным для описания вихревых структур в присутствии границ (например, при описании закрученных потоков в трубах или рабочих участках вихревых аппаратов). Тем не менее, накопленный материал весьма полезен для дальнейших исследований. Кратко остановимся на основных результатах.
Известно [Дж. Бэтчелор, 1973; Kida, 1981; и др.], что искривленная вихревая нить в общем случае движется и деформируется не только под воздействием внешнего потока, но и за счет самоиндуцированного движения, причем в некоторых случаях искривленная нить не меняет своей формы. К примерам таких нитей относятся вихревое кольцо и винтовой вихрь, который может вращаться и двигаться поступательно вдоль своей оси. Изучение винтовых вихрей в несжимаемой идеальной жидкости имеет длинную историю. Впервые слабоискривлен-ный винтовой вихрь с большим шагом винта исследовал Lord Kelvin [1880]. Н. Е. Жуковский [1912], применяя закон Био-Савара, приближенно получил формулу для определения скорости самоиндуцированного вращения винтового вихря в безграничном пространстве. Позднее Levy & Forsdyke [1928] рассмотрели вихрь с малым шагом. Другие фундаментальные результаты по приближенному описанию динамики винтовых вихревых нитей в безграничном пространстве можно найти в целом ряде широко известных работ [Widnall, 1972; Moore & Saffman, 1972; Adebiyi, 1981; Ricca, 1994; и др.]. В последних перечисленных работах предложен, по-видимому, наиболее удачный подход, заключающийся в представлении скорости винтового вихря через скорость вихревого кольца эквивалентной кривизны. Но даже и в этом случае остается проблема вычисления интегралов от осциллирующих функций на бесконечном интервале.
Возможность решить задачу о самоиндуцированном движении винтового вихря и представить результат не в квадратурах, а в окончательной явной форме появилась после доработки методики прямого выделения особенностей из бесконечных рядов от модифицированных функций Бесселя [Kuibin & Okulov, 1998]. Вывод формул для скорости движения, как одиночного винтового вихря, так и их системы в безграничном пространстве и в цилиндрической трубе сделан в данной диссертации.
В вихревых аппаратах первое наблюдение винтообразного вихря связано с его самоиндуцированным вращением. Были обнаружены интенсивные низкочастотные окружные пульсации потока, которые назвали прецессией вихревого ядра. Правда, установить, что причиной прецессии является самоиндуцированное вращение винтового вихря, удалось не сразу. Наиболее детально это явление было изучено, пожалуй, для вихревых горелок. В монографии А. Гупта с соавторами [1987] проанализировано влияние прецессии вихревого ядра на горение. Однако то, что прецессия вызывается вращением винтового вихря (жгута), по-видимому, впервые было показано при изучении закрученных потоков в отсасывающих трубах гидротурбин. Идентификация винтовой формы пламен при горении в закрученном потоке была получена много позднее в работах Ishizuka [1984, 1989]. Теоретическое описание формы пламени в закрученном потоке в литературе до настоящего времени не встречалось.
Одно из первых наиболее полных описаний прецессирующего вихря с воспроизведением его винтовой структуры сделал R.C. Chanaud [1965]. Изучению прецессии вихревого ядра в вихревой камере с удлиненным рабочим участком посвящен цикл работ R.F. Guarga с соавторами [1985а, 1985b, 1985с, 1985d]. Они измеряли частоту пульсаций давления на стенке (частоту прецессии) и од-10'• новременно визуализировали трехмерную структуру вращающегося винтового^ вихря, порождающего эти пульсации. С. С. Кутателадзе, Э. П. Волчков, В. И. Терехов [1987] также изучали прецессирующий поток с одновременной визуализацией. Изучение трехмерной структуры течения в пылевых циклонах проведено Yazdabadi, Griffiths & Syred [1994] с помощью ЛДА. Однако в этой работе, как и в монографии А. Гупта с соавторами [1987], прецессия вихревого ядра не отождествляется с самоиндуцированным вращением винтообразной вихревой структуры. Несмотря на обнаружение связи между прецессией и возникновением рециркуляционной зоны (противотока вдоль оси) в циклоне, авторы не делают заключения о существовании винтового вихря (или вихрей), который является причиной, как первого, так и второго явления. В прозрачной модели гидроциклона винтовая структура потока была выявлена А. Г. Лопатиным [1991].
Перечисленные экспериментальные данные относятся к режиму с вращающимся винтовым вихрем. Работ по второй форме организации потока в вихревых аппаратах — с неподвижным винтовым вихрем — до недавнего времени практически не было. Данные о существовании таких режимов, конечно, имелись — это режимы с подавленной прецессией вихревого ядра [А. Гупта и др., 1987], режимы без пульсаций [С.С. Кутателадзе и др., 1987] и др. Однако явно структура потока здесь выделена не была. Kumar & Conover [1991, 1993] с помощью визуализации течения провели исследование трехмерного вращающегося потока в цилиндрическом циклоне с тангенциальными входом и выходом. Фотографическим путем ими показано существование устойчивой трехмерной структуры потока. Основной поток движется по спиральной траектории, окружающей вторичный поток, в котором имеется неподвижный одиночный вихрь. Ось вихря искривлена, но на ее винтообразный характер авторы явно не указывают. Установлено, что такая структура потока не меняется в диапазоне чисел Рейнольдса от 15 000 до 60 000. Alekseenko & Shtork [1992], проводя исследования на модели топки квадратного сечения, впервые в закрученном потоке, кроме достаточно хорошо изученного вращающего вихря, визуализировали стационарные (неподвижные) винтовые вихри. При вариации граничных условий они выявили режимы течения с неподвижными винтообразными вихревыми структурами (одиночными и двойными).
Концентрированные вихри винтовой формы весьма распространены в природе и технике. Помимо описанных выше вихрей, укажем далеко не полный их список: воронка в жидкости, истекающая из сосуда через донное отверстие [М. Ван-Дайк, 1986]- смерчи [Д. Сноу, 1984]- продольные вихри при обтекании дельтовидного крыла под большим углом атаки [Peyne et al., 1988]- продольные вихри в турбулентном пограничном слое [Kim et al., 1971] и в следе за обтекаемым телом на пластине [Tani et al., 1962]- система вихревых шнуров, образующаяся за несимметричной струей, вдуваемой в поток [Д.М. By и др., 1989]- система вихревых шнуров во вращающемся слое жидкости, подогреваемой снизу [Boubnov & Golitsyn, 1986]- вихревые шнуры в восходящем над закрученной жидкостью паре [В.А. Владимиров, 1977]- вихревые нити в модели турбулентности для сверхтекучего гелия [Р.Д. Доннели, 1989]- концевые вихри за винтом и пропеллером [Н.Е. Жуковский, 1912, 1937а, 19 376]- вихревые нити при обтекании лункообразной каверны [Г.И. Кикнадзе и др., 1986]. Данная тематика широко освещена в литературе. Некоторые экспериментальные наблюдения винтовых вихрей приведены в хорошо известных обзорах [Сэффмэн, 2000; Widnall, 1972; Leibovich, 1984; Escudier, 1988]. Однако описанные в них результаты сконцентрированы в основном на явлении неустойчивости закрученных течений, подобном распаду вихря пузырьковой и спиральной форм. В общем объеме исследований вихрей винтовой формы более детально изучен случай вращающегося винтового вихря (или явления прецессии вихревого ядра). Исследования крупномасштабных вихревых структур, формирующихся в интенсивно закрученных потоках, практически отсутствуют. Хотя Takaki & Hussain [1984] и нашли стационарное решение в виде двух переплетенных винтовых вихрей с одинаковой циркуляцией, экспериментально получить неподвижную двойную винтовую структуру долгое время не удавалось. Этот факт говорит о том, что экспериментальное изучение вихревых структур в закрученных потоках — задача достаточно сложная. И только недавно в экспериментах С. В. Алексеенко и С. И. Шторка [1994]" эта структура была найдена.
Отдельно следует остановиться на исследованиях, посвященных эффекту энергоразделения в трубках Ранка. Дело в том, что, несмотря на интенсивное изучение этого явления в течение последних пятидесяти лет, исследователи не пришли к единому мнению о его механизме. Гертлеровские вихри [Stephan et al., 1983]- сжимаемость [Amitani et al., 1983; Д. К. Зайцев, E.M.-Смирнов, 1994]- турбулентный перенос тепловой энергии [Linderstrom-Lang, 1971]- акустические потоки [Kurosaka, 1982]- перестройка вынужденного вихря в свободный [А.П.Меркулов, 1969]- влияние вязкостных эффектов [В.И. Кузнецов, 1989; В. А. Баранов и др., 1994] и многое другое предлагалось как возможные механизмы.
В эффекте энергетического разделения, скорее всего, значительную роль играет прецессирующая винтообразная вихревая структура. А. Гупта с соавторами [1987] указывают на значительное влияние прецессии вихревого ядра на процесс энергоразделения. Н. А. Артамонов, Б. Ф. Абросимов и М. З. Максименко [1987] при изучении динамики течения в вихревой трубе сделали важное наблюдение о винтовой структуре потока в трубе Ранка. С. В. Лукачевым [1981] было дано объяснение регулярных пульсаций потока (типа прецессии) в вихревых трубах как следствие возникновения крупномасштабных вихревых структур. В своей последующей работе он предложил гипотезу о возможности существования двойных и тройных вихревых образований на основе анализа сдвига фаз между пульсациями давления, измеренными в двух диаметрально противоположных точках вихревой трубы [С.В. Лукачев, 1984]. Развитие этих представлений было продолжено в работе Ю. А. Кныша [1988]. Однако возникновение вихревых структур в вихревых трубах оба исследователя связывают не с неустойчивостью интенсивно закрученных потоков, а с неустойчивостью типа контактного разрыва на поверхности раздела периферийного подогретого газа и центрального холодного ядра потока. В связи с этим базовыми вихревыми структурами они считают вихревые кольца в виде тора, которые в реальном несимметричном потоке деформируются и сворачиваются в спиральные вихревые структуры. Точное представление о винтообразной форме вихревой структуры, образующейся в результате неустойчивости потока, в указанных работах отсутствует. Вместе с тем при исследовании структуры потока в другом аппарате — вихревом генераторе звука С. В. Лукачев [1988] связывает образование прецессирующего винтового вихря с распадом вихря. Наконец, явное подтверждение наличия винтообразных винтовых структур в вихревой трубе получено с помощью специальных методов визуализации в работе В. А. Арбузова с соавторами [1997].
В виду изложенных данных об экспериментальных наблюдениях представляется необходимым проведение классификации закрученных потоков с точки зрения геометрии возникающих в них вихревых структур. В то же время, наблюдаемая форма вихрей дает основания для проведения специального исследования, направленного на установление возможности реализации винтовой симметрии в реальных закрученных потоках. Наконец, требуется оценка влияния вихревой структуры потока на протекание физических процессов — горения и энергоразделения в закрученном потоке.
При попытках сопоставления моделей вихрей с реальными течениями закономерно возникает вопрос о влиянии вязкости. Конечно, существуют области науки, где вязкость несущественна. Например, — при изучении сверхтекучего гелия. В этом случае применяют классическую модель вихревых нитей. Но, вследствие хаотического поведения нитей, рассматривают лишь статистические и макроскопические характеристики [Р.Д. Доннели, 1989; Nemirovskii, 1998а, 19 986]. Однако и в обычной жидкости возможны условия, когда непосредственным влиянием вязкости можно пренебречь. Дж. Бэтчелор [1973] назвал их течениями эффективно невязкой жидкости. Такие условия могут возникать в течениях с достаточно большими числами Рейнольдса (Re > 103). Необходимо также, чтобы область завихренной жидкости находилась на достаточном удалении от твердых границ — вне пограничных слоев. Следует заметить, что применение моделей вихрей с ядром конечного сечения предполагает, что вязкость уже оказала свое действие на этапе формирования вихря. Размер ядра определяется Геометрическими параметрами установки-генератора и, в меньшей степени, числом Рейнольдса, т. е. скоростью потока и вязкостью жидкости [Maxworthy, 1977]. Еще один довод в пользу применения моделей вихрей заключается в том, что простыми зависимостями аппроксимируется поле завихренности, а сопоставление ведется по полю скорости, которое находится путем интегрирования. При этом повышается степень гладкости функций (например, кусочно-непрерывной завихренности соответствует непрерывное распределение скоростей, кусочно-линейной завихренности — гладкое и т. д.).
Новые возможности открываются перед исследователями в связи с развитием дифференциально-геометрического формализма, группового анализа и вариационных методов применительно к описанию течений несжимаемой жидкости. Так А. В. Кистовичем, Ю. Д. Чашечкиным [2000] предложен геометрический подход: линии тока рассматриваются как геодезические на интегральных поверхностях. В результате осуществляется переход от уравнений Эйлера к системе уравнений для параметров, описывающих геометрию интегральных поверхностей. Такой подход позволил авторам построить решение в форме совокупности модифицированных вихрей Рэнкина, которые в отличие от классического обладают ограниченными интегральными инвариантами (энергией, импульсом, моментом импульса, циркуляцией и спиральностью). Теми же авторами [А.В. Кистович, Ю. Д. Чашечкин, 2001] развит метод регулярного поиска дискретных симметрий дифференциальных уравнений, обладающий большими возможностями чем стандартный метод групп Ли и обобщающий упомянутый геометрический подход на другие классы дифференциальных уравнений.
Интересен подход, основанный на вариационном принципе максимума информационной энтропии, заимствованный из теории информации [Ю.Н. Григорьев, В. Б. Левинский, 1986; Ю. Н. Григорьев, В. Б. Левинский, В. П. Нартов, 1989]. Его применение позволило авторам построить модели цепочек вихрей, в которых распределение завихренности неоднородно, в отличие от моделей когерентных структур в сдвиговых слоях, построенных на базе вихрей Рэнкина или эллиптических вихрей Кирхгофа с равномерным распределением завихренности. Другое применение вариационных принципов — для построения методов дискретных вихревых частиц будет подробно рассмотрено ниже.
Классические модели элементарных вихревых структур — прямолинейная и кольцевая вихревые нити — явились основой построения методов расчета таких нестационарных явлений, как отрыв. Вихревые методы расчета развивались наряду с другими подходами к решению этой проблемы [П. Чжен, 1972;1973; Дж. Уильяме, 1979; Л. В. Гогиш и др., 1974; В. В. Сычев, 1987; В. Маккроски, 1977]. Первые попытки теоретического изучения отрыва сводились к построению стационарных моделей отрывных течений идеальной несжимаемой жидкости. В ходе их развития были сформулированы такие принципиальные положения теории отрыва, как гипотеза о конечности скорости на острых кромках обтекаемых тел (Н.Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин, Кутга) и идея Н. Е. Жуковского о присоединенных вихрях [Н.Е. Жуковский, 1937а]. Эта идея дала возможность не только объ-^ яснить механизм образования подъемной силы крыла в идеальной жидкости, но и позволила создать удобный аппарат для численных расчетов.
Дальнейшее развитие теории отрыва связано с разработкой нестационарных моделей [В. Маккроски, 1977; С. М. Белоцерковский, М. И. Ништ, 1978; С. К. Бетяев, 1983]. Вследствие нелинейности уравнений гидродинамики при решении задач используются различные численные методы. В частности, в последнее время появляется все больше работ, в которых задачи о течении вязкой жидкости и газа при наличии отрывов исследуются путем прямого численного решения уравнений Навье-Стокса. Обзоры по этой теме содержатся в статьях [П. Чжен, 1972;1973; Дж. Уильяме, 1979; Л. В. Гогиш и др., 1974; Batchelor, 1956; Lissaman, 1983]. Прямое численное решение уравнений Навье-Стокса при больших числах Рейнольдса Re сопряжено, однако, с определенными трудностями. Во-первых, вследствие наличия малого коэффициента при старшей производной, пропорционального Re, появляются узкие области с большими локальными градиентами функций, что приводит к потере точности и устойчивости решения. Во-вторых, не во всех случаях известно существование стационарного устойчи-'т вого решения при достаточно больших числах Re. В-третьих, решение нестационарных задач требует существенных затрат машинного времени.
Поэтому в настоящее время все более широко используются более экономные и удобные в применении вихревые методы, основанные на лагранжевом подходе к описанию движения жидкости. Наиболее известным из вихревых методов является метод точечных вихрей (МТВ), применяемый для расчета плоских течений несжимаемой невязкой жидкости. Суть МТВ состоит в том, что поле завихренности аппроксимируется системой прямолинейных вихревых нитей. Впервые МТВ был применен Rosenhead [1931], который исследовал эволюцию вихревой пелены, моделируя ее точечными вихрями. С появлением ЭВМ этот метод начал широко использоваться для численного моделирования нестационарных отрывных течений [С.М. Белоцерковский, М. И. Ништ, 1978; К. П. Ильи.
• чев, С. Н. Постоловский, 1972] и турбулентных струй [А.Б. Айрапетов, 1977,.
С.М. Белоцерковский и др., 1985]. МТВ достаточно эффективен для класса задач, где требуется получить интегральные характеристики (например, силы, действующие на тело, размер отрывной зоны и т. п.), а в ряде случаев позволяет получать и правильную качественную информацию о течении. Применяют МТВ и в задачах с образованием пограничных слоев — как составную часть, пригодную для описания течения в зонах, где вязкие эффекты несущественны [С.М. Белоцерковский и др., 1988]. Что же касается более тонких характеристик, связанных с пульсационным характером течения, с развитием неустойчивости, исследованием структуры отрывной зоны, то здесь возникают значительные ошибки. Дело в том, что для моделирования указанных эффектов требуется увеличивать число точечных вихрей, а при этом происходит стохастизация их траекторий [Kuwahara & Takami, 1973; Birkhoff & Fisher, 1959], что связано с неограниченным ростом скоростей, индуцируемых вихрями при взаимном сближении. По этой же причине погрешность в определении поля скорости может быть очень значительной, даже, если движение точечных вихрей является регулярным [Beale & Maida, 1985]. Очевидно, также, что с помощью точечных вихрей нельзя сколь-нибудь удовлетворительно аппроксимировать физически интересные поля завихренности. Точечные вихри оказываются просто слишком сингулярными. В связи с этим в последние годы были развиты методы моделирования течений жидкости системой вихревых частиц, имеющих, в отличие от 5-образных точечных вихрей, конечные размеры [Kuwahara & Takami, 1973; Chorin, 1973; Chorin & Bernard, 1973; Moore, 1974; Leonard, 1980; Meng & Thomson, 1978]. Эти модели можно назвать феноменологическими, так как в них содержится ряд параметров, выбор которых никак не связан с физическими закономерностями задачи.
В работах А. Н. Веретенцева, В Я. Рудяка, Н. Н. Яненко [1982, 1985, 1986] развит вариационный принцип построения вихревых моделей, свободный от недостатков, характерных для упомянутых выше модели точечных вихрей и моделей вихревых частиц (vortex blobs). Более того, построенные модели сохраняют свойства консервативности, присущие континуальной среде, т. е. в них выполняются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Исследование вопроса сходимости решений, полученных с помощью построенных моделей, к точным решениям уравнений Эйлера приводится в работах тех же авторов [1982, 1986].
В то же время метод, предложенный в указанных работах, позволяет описывать лишь безграничные плоские течения. Поэтому развитие подобных методов построения вихревых моделей, связанных с обтеканием тел, в том числе с отрывом, и для случая осесимметричных течений представляется актуальным.
Большинство упоминаемых здесь вихревых моделей строятся в рамках модели невязкой жидкости. Но отрыв потока всегда связан с вязким взаимодействием потока с поверхностью — с образованием пограничных слоев. В действительности же, при больших числах Рейнольдса важен сам факт наличия вязкости, а детали отрывного обтекания тел практически не зависят от величины вязкости среды и определяются инерционным взаимодействием в жидкостях и газах, описываемым нестационарным уравнением идеальной среды. Поэтому разрабатываемый в диссертации метод оказывается пригодным для описания отрывных течений при больших числах Рейнольдса.
Классической задачей в классе отрывных течений считается задача обтекания бесконечного клина, сформулированная еще Прандтлем [Prandtle, 1924] и моделирующая течение около тела (поверхность которого имеет изломы) в локальной области в окрестности излома. Существенный вклад в решении указанной проблемы внес А. А. Никольский [1957], получивший уравнение эволюции вихревой пелены, возникающей в результате отрыва, с использованием суммарной интенсивности вихревого следа в каждый момент времени в качестве ла-гранжевой координаты точки вихревой пелены, покидающей в этот момент кромку клина. В работе исследованы автомодельные режимы течения, когда потенциал внешнего (безотрывного) течения зависит от времени по степенному закону. Решение полученной таким образом автомодельной задачи применялось при исследовании некоторых стационарных пространственных задач для конических тел [А.А. Никольский, 1970; Ward, 1955] и при моделировании начальной стадии отрывного обтекания [JI.B. Гогиш, Г. Ю. Степанов, 1983; В. Ф. Молчанов,.
1975]. Достаточно полное исследование разгонного вихря за бесконечным клином, основанное на численном решении автомодельной задачи (задача сведена к интегро-дифференциальному уравнению с одной переменной) проведено Pullin [1978]. Получена картина сворачивания в вихрь сходящей с клина вихревой пелены для различных углов раствора клина и в широком диапазоне показателей автомодельности. Проанализирована форма вихревой пелены в окрестности кромки и в ядре разгонного вихря. Вопрос же о рамках применимости автомодельного решения в конкретных задачах остается открытым.
В работе А. А. Никольского [1957] особо выделен случай вырожденного автомодельного течения, когда вся циркуляция стягивается в точечный вихрь. Реализация такого течения представляет интерес, как в численной модели, так и на практике: таким образом можно создавать вихри с наибольшей концентрацией завихренности. Актуальность их изучения диктуется, в частности, задачами переноса импульса силы, транспортировки легких примесей и др. [В .И. Меркулов, 1989].
Экспериментальные исследования показывают, что в процессе формирования разгонного вихря гладкая спиралевидная структура образуется не всегда. В альбоме течений жидкости и газа Ван-Дайка продемонстрировано развитие вторичных вихревых структур на фоне разгонного вихря (см. фото Ж№ 81, 82, 241 в [М. Ван-Дайк, 1986]). Для прямолинейного сдвигового течения (слой сдвига, слой смешения) механизмы образования подобных (когерентных) структур хорошо изучены (см. обзоры в [Но & Huerre, 1984; Hussain, 1986; Е. В. Власов, А. С. Гиневский, 1986]). В частности, экспериментально установлено, что образование когерентных структур (КС) в возбуждаемом слое смешения происходит на длине волны возбуждения. Результаты экспериментов подтверждаются также и численными расчетами [Acton, 1976; Ghoniem & Ng, 1987], где методом вихревых частиц моделировалось образование и последующее спаривание крупномасштабных вихревых структур в сдвиговом слое.
В рассматриваемом здесь классе течений — отрывные обтекания кромок с образованием разгонных вихрей — проведение исследования образования и эволюции КС затруднено в связи с тем, что основное течение является сильно нестационарным. В связи с последним обстоятельством требуется развитие методов и подходов к изучению неустойчивости разгонного вихря.
На первый взгляд, след за тонкой пластиной представляет собой частный случай слоя смешения — когда скорости с обеих сторон пластины одинаковы. Тем не менее, переносить результаты исследования слоя смешения на задачу о следе нельзя. Это связано, в первую очередь, с симметрией профиля средней скорости относительно оси следа, и, как следствие, с наличием двух мод неустойчивости различной четности. О существовании двух мод неустойчивости в течениях с симметричным профилем скорости сообщалось в работах Michalke, Schade [1963], Tatsumi, Kakutani [1958]. Там же было показано, что в следе наиболее неустойчивой является антисимметричная мода (с нечетным профилем пульсаций продольной скорости). На этом основании в подавляющем большинстве работ по неустойчивости следа, особенно в экспериментальных (см., например, Sato, Kuriki [1961], Mattingly, Criminale [1972]), второй модой — симметричной — пренебрегали. Вместе с тем в экспериментах обычно возбуждается возмущение, являющееся суперпозицией двух мод. В работах Wygnanski, Champagne, Marasli [1986], Marasli, Champagne, Wygnanski [1989] были предприняты попытки экспериментально генерировать отдельно каждую из мод. С другой стороны, ясно, что если на линейной стадии обе моды развиваются независимо, то на нелинейной — взаимодействие между ними будегг существенно влиять на характер развития течения.
Выше было показано, что основной механизм развития неустойчивости на нелинейной стадии в слое смешения — субгармонический. Из общих соображений подобный механизм представляется возможным и для следа [С.Я. Герценштейн, Ю. М. Штемлер, 1977]. В работе Kelly [1968] было однако показано, что хотя для симметричного профиля принципиально и возможно резонансное взаимодействие нейтральных возмущений симметричной и антисимг метричной мод, коэффициент связи мод, вычисленный в рамках слабонелинейной теории типа теории Стюарта-Ватсона, тождественно равен нулю. Полученный в цитируемой работе при многочисленных весьма сильных предположениях негативный результат вряд ли можно считать окончательным и, кроме того, он не дает ответа на вопрос о том, как протекает нелинейная стадия развития неустойчивости в следе.
Развитие возмущений в течении типа следа за телом (точнее в течении с профилем продольной скорости и = 1 — 0,7ехр (-0,9у)) изучалось ранее численно в [С.Я. Герценштейн и др., 1985]. Здесь был получен целый ряд интересных результатов. В частности, было установлено выделение длинноволновых составляющих спектра. Причем при нелинейном взаимодействии таких возмущений наибольшее нарастание наблюдается у их разностной составляющей. Важным представляется и обнаружение вторичной неустойчивости конечно-амплитудных волновых режимов к поперечным трехмерным возмущениям.
С точки зрения построения методов управления рассматриваемым течением необходимо исследовать механизмы нелинейной стадии развития неустойчивости отдельно каждой из мод и при их взаимодействии. Принципиальным является и вопрос о возможности вторичной неустойчивости, связанной с резонансным усилением двумерных субгармонических возмущений.
Цель данной работы заключалась в разработке моделей вихревых структур и методов моделирования нестационарных течений и изучении на их основе вихревой структуры потоков, в том числе — на стадии развития возмущений.
Работа состоит из шести глав, заключения, списка литературы и двух приложений.
В первой главе выводятся уравнения гидродинамики течений с винтовой симметрией и рассматривается класс течений с винтовыми вихревыми линиями. На основе решения, полученного B.JI. Окуловым [1993], проводится анализ трехмерных течений, индуцированных вихревой нитью винтовой формы при различных значениях определяющих параметров.
Вторая глава посвящена развитию моделей вихревых структур с винтообразной формой вихревых линий. Предложена модель винтовой вихревой пелены. Построены обобщенные модели колоннообразных винтовых вихрей, в том числе для случая вихря, движущегося вдоль плоскости. Разработана модель винтового вихря с ядром конечного размера. Уточнена структура поля завихренности в сферическом вихре Хикса.
В третьей главе развивается метод дискретных вихревых частиц с целью его применения для моделирования плоских отрывных и безотрывных нестационарных течений несжимаемой жидкости в ограниченных областях, а также на основе вариационного метода выводятся уравнения движения системы элементарных вихревых колец, предназначенных для описания осесимметричных течений без закрутки.
В четвертой главе развитым методом решается задача об отрывном обтекании кромки полубесконечной пластины при различном нестационарном набегающем потоке. На основе известного автомодельного решения производится тестирование метода. Изучается неустойчивость разгонного вихря и процессы образования на его фоне вторичных вихревых структур. Исследуется нелинейная стадия развития неустойчивости в плоском следе за пластиной. Основное внимание здесь уделено нелинейному взаимодействию основного и субгармонического возмущений симметричной и антисимметричной мод.
Глава V посвящена описанию и классификации вихревых структур, образующихся в закрученных потоках. Предложены новые интегральные характеристики для описания закрученных потоков — шаг винтовой вихревой структуры и скорость ее чисто поступательного перемещения вдоль оси. Проведена проверка существования винтовой симметрии в закрученных течениях. Для вихрей с прямолинейной осью установлена возможность существования композиции винтовых вихрей. Изучены причины образования левовинтовыхи правовинтовых вихрей в вихревых камерах. Установлена взаимосвязь явления прецессии вихревого ядра с вращающимся винтовым вихрем. Проведен анализ влияния структуры потока на энергоразделение в вихревой трубке Ранка и на форму пламени в закрученном потоке.
В шестой главе изучается движение вихрей в цилиндрических трубах. На основе развитого метода дискретных вихревых частиц решается задача о неустойчивости положения прямолинейного вихря в трубе к возмущениям завихренности локализованным на окружности некоторого радиуса. Выводится формула для скорости самоиндуцированного движения винтового вихря в безграничном пространстве и в цилиндрической трубе. Получена формула для частоты прецессии винтового вихря в трубе. Исследовано движение системы соосных винтовых вихрей в трубе.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы. В приложении I приводятся примеры вычисления характерных размеров вихревых частиц различными способами. В приложении II дано доказательство теоремы о законе изменения вихревого импульса при отрывном обтекании пластины, используемого для оценки погрешности метода в п. 4.1 четвертой главы.
На защиту выносится:
1. Формулировка уравнений движения для течений с винтовой симметрией и в частном случае — для течений с винтовыми вихревыми линиями. Результаты анализа структуры течения, индуцированного бесконечно тонкой винтовой вихревой нитью в бесконечном пространстве и в цилиндрической трубе.
2. Новый класс точных решений уравнений Эйлера для вихрей с прямолинейной осью и распределением завихренности, обладающей винтовой симметрией. Модель колоннообразного вихря, движущегося вдоль плоскости, с винтообразной структурой вихревых линий. Модель винтового вихря с ядром конечного размера.
3. Новые методы дискретных вихревых частиц для моделирования, плоских отрывных и безотрывных течений несжимаемой жидкости в ограниченных областях, а также для осесимметричных течений без закрутки.
4. Результаты изучения процесса формирования разгонного вихря за кромкой полубесконечной пластины и его неустойчивости. Результаты исследования нелинейного взаимодействия возмущений антисимметричной и симметричной мод в следе за пластиной.
5. Новые интегральные характеристики, отвечающие за структуру закрученных потоков: шаг вихревых линий и переносная скорость, совпадающая со скоростью на оси потока. Выявление локальной винтовой симметрией в реальных закрученных потоках. Модель суперпозиции правостороннего и левостороннего винтовых вихрей (один находится в другом). Модель вихря с изменяющейся винтовой симметрией в пространстве (правый винтовой вихрь переходит в левый). Классификация вихревых структур в закрученных потоках.
6. Описание неустойчивости положения вихря, изначально находящегося на оси трубы, по отношению к возмущениям завихренности, локализованным на некотором радиусе трубы. Формула для определения самоиндуцированного движения и частоты прецессии винтового вихря в безграничном пространстве и в цилиндрической трубе. Объяснение возможности вращения винтового вихря, как в сторону вращения потока, так и против, а также существования неподвижных винтовых вихрей. Формулы, описывающие движение системы соосных винтовых вихрей в безграничном пространстве и в цилиндрической трубе.
Основные результаты диссертации опубликованы в 31 работе:
1. Веретенцев А. Н., Куйбин П. А., Меркулов В. И., Рудяк В. Я. О выводе уравнений движения дискретных вихревых частиц для осесимметричных течений // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. — 1986. — № 10. — Вып. 2. — С. 45−50.
2. Веретенцев А. Н., Куйбин П. А., Рудяк В. Я. Моделирование формирования вихря на острой кромке полубесконечной пластины // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. — 1988. -№ 7, вып. 2. — С. 21−25.
3. Veretentsev A.N., Kuibin P.A., Rudyak V.Ya. Coherent structures in artifically excited free shear flows // On turbulence: Proc. 5th EPS Liquid State Conf., Moscow, October 16−21,1989. — Institute for Problem in Mechanics, Moscow. -P. 198−201.
4. Веретенцев A.H., Гешев П. И., Куйбин П. А., Рудяк В. Я. О развитии метода вихревых частиц применительно к описанию отрывных течений // Ж. вычисл. мат. и мат. физики. — 1989. — Т. 29, № 6. — С. 878−887.
5. Kuibin P.A., Rudyak V.Ya., Veretentsev A.N. Processes of the instability development in separated flows behind the plate // Separated flows and jets: Proc. IUTAM Symp., Novosibirsk, USSR, July, 9−13, 1990. — Berlin: Springer-Verlag, 1991.-P. 747−750.
6. Куйбин ПА., Рудяк В. Я. Изучение эволюции возмущений в следе за пластиной // Изв. вузов. Авиационная техника. — 1992. — № 1. — С. 29−32.
7. Куйбин П. А., Рудяк В. Я. Развитие неустойчивости в следе за пластиной, размещенной параллельно потоку // Изв. АН СССР. МЖГ. — 1992. — № 1. — С. 2632.
8. Куйбин П. А. Исследование динамики и неустойчивости отрывных течений и следов // Дисс. канд. физ.-мат. наук, ИТ СО РАН, Новосибирск. — 1993. — 140 с.
9. Борисов А. А., Куйбин П. А., Окулов B. J1. Моделирование течения и конвективного энергоразделения в вихревых трубах // Изв. СО РАН. Сиб. физ.-техн. журн. — 1993. -№ 1.-С. 30−38.
Ю.Борисов А. А., Куйбин П. А., Окулов В. Л. Описание конвективного теплопере-носа в вихревой трубе // ДАН. — 1993. — Т. 331, № 1. — С. 28−31.
П.Борисов А. А., Куйбин П. А., Окулов В. Л. Спиновое и нормальное горение в закрученных потоках // Письма в ЖТФ. — 1993. — Т. 19, вып. 14. — С. 13−17.
12. Борисов А. А., Куйбин П. А., Окулов В. Л. К вопросу о горении газа в закрученном потоке // ФГВ. — 1993. -№ 5. — С. 107−109.
13.Borissov A.A., Kuibin P.A., Okulov V.L. Flame Shapes in Swirl Flow // Russian J. of Eng. Thermophys. — 1993. — Vol. 3, № 3. — P. 243−255.
14.Borissov A.A., Kuibin P.A., Okulov V.L. Convective Heat Transfer and its Action on the Ranque Effect in Vortex Tube // Experimantal and Numerical Flow Visualization: Proc. Int. Conf. FED Vol.172. Book no. H00849. 1993. ASME.
15. Куйбин П. А., Окулов В. Л. Определение частоты прецессии винтового вихря // Письма в ЖТФ. — 1994. — Т. 20, вып. 7. — С. 32−35.
16. Алексеенко С. В., Куйбин П. А., Окулов В. Л., Шторк С. И. Характеристики закрученных потоков с винтовой симметрией // Письма в ЖТФ. — 1994. — Т. 20, вып. 18.-С. 33−39.
17.Borissov A.A., Kuibin P.A., Okulov V.L. Calculation of Ranque Effect in Vortex Tube 11 Acta Mechanica. — 1994. — [Suppl.] № 4. — P. 289−295.
18.Borissov A. A., Kuibin P.A., Okulov V.L. The Helical Structure of Flame in a Swirl Flow // Proc. Zel’dovich Memorial «Combustion, detonation, shock waves». Vol. 2. — 1994.-P. 236−238.
19. Алексеенко C.B., Куйбин П. А., Окулов B.Jl., Шторк С. И. Стационарный вихрь с переменной винтовой симметрией // ДАН. — 1995. — Т. 345, № 5. — С. 611−614.
20. Alekseenko S.V., Kuibin Р.А., Okulov V.L., Shtork S.I. Stationary Vortex Structures in Intensively Swirling Flows // Proc. conf. «Numerical Methods in Laminar and Turbulent Flow». Vol.9. Part 1. — Atlanta, U.S.A. — 1995. P. 382−393.
21. Alekseenko S.V., Kuibin P.A., Okulov V.L., Shtork S.I. Large Scale Vortex Structures in Intensively Swirling Flows // Proc. conf. «Experimantal and Numerical Flow Visualization». FED Vol. 218. ASME. Hilton. U.S.A. — 1995. P. 181−188.
22. Alekseenko S.V., Kuibin P.A., Okulov V.L., Shtork S.I. Large Scale Vortex Structures in Intensively Swirling Flows // Proc. XXVI IAHR Conference, 11−15 September 1995, Vol. 2. — 1995. P. 90−95.
23. Куйбин П. А., Окулов В. Л. Одномерные решения для течений с винтовой симметрией // Теплофизика и аэромеханика. — 1996. — № 4. — С. 311−315.
24. Alekseenko S.V., Kuibin Р.А., Okulov V.L., Shtork S.I. (1997) Helical vortices in power engineering // N.V. Medvetskaya and R.S. Gromadskaya (eds.), The Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation, Institute for High Temperature, Russian Academy of Sciences, Moscow. P. 471−476.
25. Kuibin, P.A., Okulov, V.L. Self-induced motion and asymptotic expansion of the velocity field in the vicinity of helical vortex filament // Phys. of Fluids. — 1998. -Vol. 10, № 3.-P. 607−614.
26.Kuibin, P.A., Okulov, V.L. Self-induced motion of helical vortex // Proc. of IUTAM-Symposium on Dynamics of Slender Vortices. Kluwer Ac. Pub. — 1998. -P. 55−62.
27. Alekseenko, S.V., Kuibin, P.A., Okulov, V.L., and Shtork, S.I. Theory of helical vortices // ibid. — P. 255−263.
28. Alekseenko, S.V., Kuibin, P.A., Okulov, V.L., and Shtork, S.I. Helical vortices in swirl flow // J. Fluid Mech. — 1999. — Vol. 382. — P. 195−243.
29. Kuibin, P.A. On motion of a double helical vortex in a cylindrical tube // Proc. IUTAM Symp. «Tubes, sheets and singularities in fluid dynamics». Kluwer. -2002.-P. 81−86.
30. Kuibin P.A., 2003. On structure of vorticity field in the spherical Hicks vortex // J. Eng. Thermophys. — Vol. 12, №. 3. — P. 22−29.
31. Алексеенко С. В., Куйбин П. А., Окулов B. JL, Введение в теорию концентрированных вихрей. — Новосибирск: Институт теплофизики им С. С. Кутателадзе СО РАН, 2003.
Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались: на II Республиканской школе-семинаре «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 1987), на V Всесоюзной школе «Современные проблемы теплофизики» (Новосибирск, 1988), на Всесоюзном семинаре «Отрывные и струйные течения» (Новосибирск, 1988), на XI Всесоюзной школе по численным методам механики вязкой жидкости (Свердловск, 1988), на V конференции Европейского физического общества по турбулентности (Москва, 1989), на IV Всесоюзном симпозиуме «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики» (Харьков, 1989), на V Школе по методам аэрофизических исследований (Абакан, 1989), на XII Всесоюзной конференции «Аэроупругость турбомашин» (Рига, 1989), на VI и VII (Москва, 1988 и 1990) Всесоюзных школах «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости», на Международном симпозиуме «Образование крупномасштабных структур в сплошной среде» (Пермь — Москва, 1990), на Международном симпозиуме по отрывным течениям и струям (Новосибирск, 1990), на VI и VII ASME конференциях (США, 1993 и 1995) «Экспериментальная и численная визуализация потоков», на международной конференции «Горение, детонация, ударные волны» (Москва, 1994), на международной конференции «Численные методы для ламинарных и турбулентных течений» (США, 1995), на XXVI конференции международной ассоциации исследователей-гидравликов (Швеция, 1995), на международной конференции «Физика и теплообмен при кипении и конденсации» (Москва, 1997), на IUTAM-симпозиуме «Моделирование и идентификация организованных структур в потоках» (Дания, 1997), на II и III конгрессах по индустриальной и прикладной математике (Новосибирск, 1996, 1998), на VI и VIII конференциях «Устойчивость течениий гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 1997, 2001), на IUTAM-симпозиуме по динамике тонких вихрей (Германия, 1998), на международном симпозиуме «Актуальные проблемы физической гидроаэродинамики» (Новосибирск, 1999), на X и XI международных конференциях «Потоки и структуры в жидккости» (С.-Петербург, 1999, Москва, 2001) на 4 Европейской конференции по механике жидкости (Нидерланды, 2000), на IUTAM-симпозиуме «Трубки, пелены и сингулярности в динамике жидкости» (Польша,.
2001), на 426 коллоквиуме ЕВРОМЕХ и ЭРКОФТАК «Закрученные потоки» (Норвегия, 2001), на XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск,.
2002), а также на семинарах в Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, в Санкт-Петербургском политехническом университете, в Институте проблем механики РАН, в Институте энергетики и механики жидкости (Датский технический университет, Копенгаген) и в Институте гидрои термодинамики (Рурский университет, Бохум, Германия).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
По содержанию данной работы можно сформулировать следующие основные результаты и выводы:
1. В I главе диссертации выведены уравнения движения для течений с винтовой симметрией и их частный случай — уравнения движения для течений с винтовыми вихревыми линиями, что послужило базой для построения моделей вихрей с винтовой структурой поля завихренности. Показано, что течения с винтовой симметрией обладают важным кинематическим свойством — линейной связью между осевой компонентой скорости и текущей циркуляцией (произведением окружной компоненты скорости на радиус). Коэффициентами линейной функции являются шаг винтовой симметрии и значение осевой скорости на геометрической оси потока.
На основе известного решения проведены численная визуализация и систематический анализ структуры течения, индуцированного бесконечно тонкой винтовой вихревой нитью в бесконечном пространстве и в цилиндрической трубе. Изучено влияние на структуру течения наличия ограничивающей цилиндрической поверхности, геометрических параметров вихревой нити — ее радиуса, шага винта и отношения радиуса винта к радиусу цилиндра, а также выявлено влияние на структуру течения накладываемого потенциального течения. Установлены отличия в структуре потока, индуцированного правои левовинтовым вихрем.
2. Построен новый класс моделей вихрей с прямолинейной осью и распределением завихренности, обладающей винтовой симметрией. Разработанные модели имеют неоднородный профиль осевой компоненты скорости, связанный с профилем распределения циркуляции линейной зависимостью, и обобщают ряд известных моделей колоннообразных вихрей — Рэнкина (с равномерным распределением завихренности в ядре), Дамба (с гауссовым распределением завихренности) и Scully (с дробно-рациональной функцией распределения). Новые модели имеют преимущества при обработке экспериментальных данных.
Построены модель колоннообразного вихря, движущегося вдоль плоскости и модель винтового вихря с ядром конечного размера. Для последней модели, в отличие от известных в литературе подходов, найдены распределения осредненных скоростей, что позволяет по измеренным осредненным профилям скорости восстанавливать трехмерную структуру течения в окрестности измерительного сечения.
Уточнена структура поля завихренности в сферическом вихре Хикса. В частности, установлено, что вихревые линии и линии тока, вьющиеся вокруг торооб-разных поверхностей тока, имеют конечный период.
3. Изложенный в третьей главе диссертации обобщенный метод дискретных вихревых частиц позволяет рассчитывать течения несжимаемой жидкости в ограниченных областях, в том числе с отрывом на угловых кромках. Данная модель обладает определенными преимуществами перед известными вихревыми моделями, в том числе, перед методом точечных вихрей и методом Чорина. Во-первых, построенная модель не содержит сингулярностей. Во-вторых, она позволяет исследовать непосредственно поля завихренности. В-третьих, в модели не содержится свободных неопределенных параметров. И наконец, в-четвертых, для определенного класса задач показано, что если в континуальной модели выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, то эти законы выполняются точно и в дискретной модели.
На основе построенной вихревой модели создан комплекс программ для расчета отрывных и безотрывных течений в односвязных областях с различной геометрией границ. Выполненные тестовые расчеты показали, что точность предлагаемого метода заметно улучшается с ростом числа вихревых частиц. Предложены способы однозначного определения размеров частиц при отрывном обтекании острых кромок, выбор которых является важным моментом при проведении конкретных расчетов, так как точность вихревых методов существенно зависит от этих параметров.
2. С помощью обобщенного метода вихревых частиц систематически изучена задача о формировании автомодельного разгонного вихря на кромке полубесконечной пластины при различном законе изменения во времени скорости набегающего потока. В классе неавтомодельных задач проанализированы, в частности, течения, при которых концентрация завихренности в ядре вихря максимальнаописано течение, возникающее в режиме «разгон — торможение» (образующийся при этом грибовидный вихрь хорошо воспроизводит картину, наблюдаемую в эксперименте).
Влияние стеснения потока на характер развития разгонного вихря изучено на примере обтекания кромки пластины, помещенной в канал. Установлено, что в случае симметричной разделительной пластины влияние стенок начинает сказываться, когда размер вихря достигает 0.1 расстояния до стенки.
Впервые решена задача о развитии неустойчивости в разгонном вихре. Установлено, что возмущения различного типа преобразуются на кромке в возмущения завихренности. Эволюция последних приводит к образованию вторичных вихревых структур на фоне основного вихря. Картина течения, полученная в расчетах хорошо согласуется с наблюдавшейся в экспериментах. Найден оригинальный способ анализа спектральных характеристик развивающихся возмущений при сильно нестационарном основном потоке. В результате анализа обнаружена генерация субгармонических возмущений и активное ее резонансное взаимодействие с основной модой.
Проведены систематические исследования нелинейной стадии развития неустойчивости в следе за пластиной по отношению к двумерным возмущениям симметричной и антисимметричной мод. Впервые показано, что под действием пары возмущений — основного и субгармонического — в следе происходит резкое усиление субгармоники (субгармонический резонанс) антисимметричной моды при взаимодействии с основным возмущением симметричной моды.
5. Введены новые интегральные характеристики, отвечающие за структуру закрученных потоков: шаг вихревых линий и переносная скорость, совпадающая со скоростью на оси потока. На основе анализа многочисленных экспериментальных данных установлено, что закрученные потоки обладают локальной винтовой симметрией. Продемонстрирована возможность реализации суперпозиции правостороннего и левостороннего винтовых вихрей (один находится в другом). На основе анализа влияния граничных условий на вид вихревой структуры предсказана возможность генерации вихря с изменяющейся винтовой симметрией в пространстве (правый винтовой вихрь переходит в левый). Стационарный вихрь такой формы позже был обнаружен в эксперименте. Проведена классификация вихревых структур в закрученных потоках по геометрическим признакам.
На примерах горения и энергоразделения продемонстрирована важность учета винтовой структуры поля завихренности при изучении процессов в закрученных потоках.
6. На основе развитого обобщенного метода дискретных вихревых частиц в двумерной постановке изучена нелинейная неустойчивость положения вихря, изначально находящегося на оси трубы, по отношению к возмущениям завихренности, локализованным на некотором радиусе трубы. После непродолжительного начального периода вихрь выходит на квазистационарную орбиту. Численно найдены зависимости радиуса орбиты от параметров задачи — амплитуды возмущений, радиуса их локализации и др.
С помощью техники выделения особенностей в решении задачи о скорости, индуцированной бесконечно тонкой винтовой вихревой нитью, выведена аналитическая формула для определения скорости самоиндуцированного движения винтового вихря в безграничном пространстве и в цилиндрической трубе. Выведена формула частоты прецессии винтового вихря в цилиндрической трубе. Проведенное сопоставление частоты с опытными данными дает хорошее соответствие. Объяснена возможность вращения винтового вихря, как в сторону вращения потока, так и против, а также существование неподвижных винтовых вихрей. Выведены формулы, описывающие движение системы соосных винтовых вихрей в безграничном пространстве и в цилиндрической трубе.
