Экспериментальные исследования спиральных течений жидкости в замкнутых объемах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Сухановский, Андрей Николаевич

• Сухановский, Андрей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сухановский, Андрей Николаевич

Введение

Глава I. Экспериментальное исследование винтового течения в тороидальном канале

§ 1Л. Обзор литературы

§ 1.2. Экспериментальная установка и методика измерений

§ 1.3. Эволюция невинтового потока

§ 1.4. Винтовой нестационарный поток

§1.5. Исследование профилей скорости

§1.6. Выводы по главе

Глава II. Исследование спирального циклонического вихря над локализованным источником тепла

§ 2 Л. Обзор литературы

§ 2.2. Экспериментальная установка и методика измерений

§ 2.3. Режимы течений в неподвижном слое

§ 2.4. Режимы течений во вращающемся слое

§ 2.5.Исследование влияния спиральных возмущений на циклонический вихрь

§ 2.6.Изучение полей скорости в неподвижном слое

§ 2.7.Измерение полей скорости в конвективных потоках во вращающемся слое жидкости

§ 2.8. Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальные исследования спиральных течений жидкости в замкнутых объемах»

Актуальность работы. В последние десятилетия все большее внимание уделяется роли спиральных течений в различных физических системах. Наиболее ярко это проявляется при изучении природы магнитных полей Земли, Солнца и других астрофизических объектов. На сегодняшний момент наиболее убедительное объяснение этого явления дает теория МГД-динамо, в основе которой лежит взаимодействие спиральных потоков проводящей жидкости. Не меньший интерес представляет теория вихревого гидродинамического динамо, которое может играть важную роль в образовании крупных атмосферных вихрей, таких как тропические циклоны. Как правило, эти явления имеют пороговый характер и возникают при достижении критических параметров. Также надо отметить многоплановость этих процессов, когда на образование крупномасштабного магнитного поля или вихревой структуры влияют одновременно несколько факторов. Так в случае генерации атмосферных вихрей одним из таких факторов являются фазовые переходы влаги в среде. Все это представляет большую сложность для теоретических исследований и численного моделирования и важным шагом для решения этих проблем является проведение лабораторных экспериментов. Одним из первых эксперименты по моделированию геофизических вихрей во вращающемся слое жидкости с локализованным источником тепла проводил Г.П.Богатырев [8-10]. В своих исследованиях он показал, что в такой системе возникает крупномасштабный спиральный вихрь, исследовал его эволюцию при изменении величины нагрева и скорости вращения модели. Качественные исследования влияния спиральных возмущений на такой вихрь начал С.Е. Старцев [52]. Эти эксперименты оставили открытыми ряд интересных вопросов, поэтому продолжение этих исследований с применением современных методов измерений представляется необходимым и актуальным.

Целью работы является комплексное исследование винтового течения жидкости в тороидальном канале и детальное исследование процесса образования крупномасштабного спирального вихря от локализованного источника тепла во вращающемся слое жидкости. Исследование винтового течения в торе является необходимым этапом по подготовке пермского лабораторного эксперимента по реализации нестационарного МГД-динамо в тороидальном канале. Для реализации динамо эксперимента, требующего больших затрат мощности и больших объемов жидкого металла, необходимо исследовать возможность создания винтового потока на водной модели, в замкнутом тороидальном канале, временную зависимость различных компонент скорости течения, определить осредненные профили скорости, найти оптимальные режимы торможения канала. Исследование спирального вихря от локализованного источника тепла включает в себя изучение влияния на его эволюцию различных факторов, таких, как геометрия модели, неоднородный нагрев и мелкомасштабные спиральные вихри, а также измерения полей скорости с применением современных трассерных методов измерения скорости PIV (Particle Image Velocimetry).

Научная новизна. В диссертационном исследовании получены следующие новые результаты:

1. Доказана возможность создания спирального потока в кольцевом быстро вращающемся тороидальном канале при его резком торможении и установке в канале диверторов. Обнаружено, что спиральное течение во всем канале формируется только после полной остановки канала. Получена зависимость эффективного числа Рейнольдса от времени торможения. Исследованы закон затухания энергии течения и профили скорости.

2. Исследовано поведение примеси в винтовом потоке. При визуализации винтового потока пузырьками воздуха обнаружено, что в потоке возбуждаются высшие азимутальные моды.

3. Исследовано влияние геометрии кюветы, неоднородного распределения температуры на образование и развитие крупномасштабного циклонического вихря от локализованного источника тепла.

4. Исследована зависимость интенсивности крупномасштабного циклонического вихря от спиральных возмущений. Показано, что с ростом интенсивности спиральных возмущений вихрь разрушается.

5. Проведено исследование структуры конвективных течений от локализованного источника тепла для неподвижной и вращающейся кюветы с помощью измерительной системы PIV. Показано, что первоначальное формирование циклонического вихря происходит за счет действия силы Кориолиса на конвергентный поток в нижней части слоя жидкости.

Научная и практическая ценность. Исследование винтового течения в замкнутом тороидальном канале является необходимым этапом для проведения пермского динамо-эксперимента. В ходе исследования показана возможность создания спирального течения в тороидальном канале и найдены оптимальные режимы, при которых возможно достижение максимальных значений магнитного числа Рейнольдса. Результаты, полученные в ходе исследования циклонического вихря от локализованного источника тепла во вращающемся слое жидкости важны для понимания физических механизмов генерации крупномасштабных геофизических вихрей, могут применяться для реализации численных и теоретических исследований процессов формирования крупномасштабных атмосферных вихрей, образования конвективных течений в местах крупных пожаров и городов.

Работы выполнялась в рамках госбюджетных тем "Исследование развитой конвективной и магнитоконвективной турбулентности с гео- и астрофизическими приложениями" (ГР № 01.960.011298) и "Эволюция турбулентных потоков проводящей и непроводящей жидкости под действием вихревых и спиральных сил" (ГР № 01.200.1 17926), проектов РФФИ 99-0100362, 01-01-96482, 01-05-64232, 04-01-96005, 04-05-64315, индивидуальных грантов 2002-2004 гг. Научно-образовательного центра «Неравновесные переходы в сплошных средах» (проект CRDF-REC-009).

Достоверность полученных результатов обеспечивается тщательным тестированием методов измерений, проведением представительных серий экспериментов, сравнением там, где это было возможно, с экспериментами и теоретическими результатами других авторов.

Апробация работы. Основные результаты, приводимые в диссертации, докладывались и обсуждались: на всероссийских конференциях молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 2001, 2002, 2003 гг.; конференциях молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах», Пермь, 2002, 2003, 2004 гг.; на Зимних Школах по механике сплошных сред, Пермь, в 1999, 2003, 2005 гг.; международной конференции «Fourth International PAMIR Conference on MagnetoHydroDynamic at Dawn Third Millenium» в 2000 г.; международных конференциях «Fluxes and Structures in Fluids», Москва, июнь 2001, С.Петербург, июнь 2003 г.; международной конференции «Ninth European Turbulence Conference», Саутгемптон, Англия, июль 2002 г.; на третьей международной школе-семинаре «Применение симметрии и косимметрии в теории бифуркаций и фазовых переходов», Сочи, август 2002 г.; международной конференции «Fifth

International PAMIR Conference on Fundamental and Applied MHD», Раматюэль, Франция, 2002 г.; международной конференции «EGS-AGU-EUG Joint Assembly», Ницца, Франция, апрель, 2003 г.; международной конференции «XXIII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, IUGG 2003», Саппоро, Япония, июль, 2003 г.; международной конференции "Advanced Problems in Thermal Convection", Пермь, 2003 г.; международной конференции «Tenth European Turbulence Conference», Трондхейм, Норвегия, июнь, 2004 г.; международной конференции МСС-04 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность», Москва, ноябрь, 2004 г.; международной конференции «European Geosciences Union 1st General Assembly», Ницца, Франция, апрель, 2004 г.; международной конференции «Perm Dynamo Days», Пермь, февраль, 2005 г, на семинаре Института физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН, октябрь 2002 г, на семинаре Института проблем механики РАН, ноябрь, 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ [64-89]. В [67,72,76,82-84,88] автор готовил к работе экспериментальную установку, проводил измерения и их обработку. В [68-71,73,74,75,85-87] автору принадлежат все лабораторные результаты. В [79-81] автор получил результаты, касающиеся измерений в кювете квадратного сечения. В [6466,77,78,89] автор готовил к работе экспериментальную установку, тестировал методику измерений с использованием системы PIV, проводил измерения и их обработку.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вводной части, 2 глав, заключения и списка литературы из 89 наименований. В работе приводится 44 рисунка и 2 таблицы. Общий объем диссертации составляет 108 страниц.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю П.Г.Фрику за руководство работой, В.И.Носкову, И.В.Колесниченко, В.Г.Баталову за помощь в проведении экспериментов, Г.В.Левиной за большие усилия в возобновлении экспериментов по изучению крупномасштабного циклонического вихря.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Сухановский, Андрей Николаевич

2.8. Выводы по главе

Исследование процесса образования крупномасштабного циклонического вихря во вращающемся слое жидкости с локализованным источником тепла показало, что геометрия кюветы не оказывает существенного влияния на формирование вихря. Установлено, что мелкомасштабная неоднородность распределения температуры нагревателя приводит к интенсификации вращения крупномасштабного вихря.

Исследования влияния принудительно вносимых мезомасштабных спиральных возмущений показали, что даже в случае, когда знак спиральности возмущений и крупномасштабного вихря совпадал, вносимые возмущения приводили к разрушению крупномасштабного вихря.

Реализованы измерения полей скорости конвективных течений от локализованного источника тепла для неподвижной и вращающейся кюветы с помощью измерительной системы PIV. Измерение полей скорости в неподвижном слое показали сложную структуру конвергентного течения в нижней его части. Измерения полей скорости во вращающемся слое показали, что при вращении возрастает скорость конвергентного потока, область подъемного течения в центре становится шире, при этом скорость подъемного течения уменьшается. Исследование полей скорости при различных режимах показали, что формирование циклонического вихря происходит в ограниченной нагревателем области.

Формирование циклонического вихря происходит за счет действия силы Кориолиса на конвергентный поток в нижней части слоя жидкости, без кризисного изменения структуры течения, как это предполагалось в [8-10].

Заключение

Сформулируем основные результаты полученные в ходе исследования:

1. Доказана возможность создания спирального потока в кольцевом быстро вращающемся тороидальном канале при его резком торможении и установке в канале специальных диверторов. Восстановлены осредненные профили скорости в невинтовом и винтовом потоках. Показано, что спиральное течение во всем канале формируется только после полной остановки канала. Обнаружено, что в кольцевом канале возбуждаются высшие азимутальные моды. Получен закон затухания энергии течения на поздней стадии вырождения.

2. Исследованы временные зависимости двух компонент скорости для различных времен торможения канала и количества диверторов. Найдена зависимость эффективного числа Рейнольдса от времени торможения. Показано, что максимального значения эффективного числа Рейнольдса можно достичь при интенсивном торможении и наличии в канале только одного дивертора.

3. Показано, что турбулентный спиральный поток способен однородно перемешивать тяжелую примесь (плотность до 4 кг/м ) даже при ее значительной концентрации (до 20%).

4. Исследование процесса образования вихря во вращающемся слое жидкости с локализованным источником тепла показало, что мелкомасштабная неоднородность распределения температуры нагревателя приводит к интенсификации вращения крупномасштабного вихря, а геометрия кюветы не оказывает существенного влияния на его формирование.

5. Установлено, что спиральные возмущения, вносимые на масштабах меньших, но сравнимых с размером крупномасштабного спирального вихря, при малых амплитудах подавляют, а при больших разрушают его.

6. Реализованы измерения полей скорости конвективных течений от локализованного источника тепла для неподвижной и вращающейся кюветы с помощью измерительной системы PIV. Измерения показали, что первоначальное формирование циклонического вихря происходит за счет действия силы Кориолиса на конвергентный поток в нижней части слоя жидкости, без кризисного изменения структуры течения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сухановский, Андрей Николаевич, 2005 год

1. Анисимова Е.П., Сперанская А.А. О механизме автоколебаний величины диаметра ядра интенсивных конвективных вихрей // Вестник Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2001. № 6. С. 58-61.

2. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А., Макаренко В.Г., Никулин В.В. Возникновение торнадоподобных вихрей во вращающейся жидкости при вынужденных инерционных колебаниях большой амплитуды // ПМТФ. №2. 2002. с 87-92.-f

3. Берлов П.С., Бубнов Б.М. Экспериментальное исследование конвективных движений при локализованном нагреве снизу // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28. № 3. С. 240-253.

4. Богатырев Г.П. Возбуждение циклонического вихря или лабораторная модель тропического циклона // Письма в ЖЭТФ. 1990. Т. 51. Вып. 11. С. 557-559.

5. Богатырев Г.П., Попова Э.В. Исследование поля скорости в лабораторной модели тропического циклона // В сб. Вестник Пермского университета (физика). 1994. Вып. 2. С. 141-150.

6. Богатырев Г.П., Смородин Б.JI. Физическая модель вращения тропического циклона // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 63. Вып. 1. С. 25-28.

7. Бубнов Б.М. Термическая структура и турбулизация торнадоподобных вихрей от локализованных источников тепла над вращающимся диском // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1997. Т. 33. № 4. С. 434-442.

8. Бубнов Б.М. Конвекция от локализованного источника тепла при медленном вращении // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1997. Т. 33. № 6. С. 795-803.

9. Варгафтик И.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей // М.: Наука. 1972. 720 стр.

10. Владимиров В.А., Тарасов В.Ф. Образование системы вихревых шнуров во вращающейся жидкости // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1980. № 1. С. 44-51.

11. Гайлитис А., Фрейберг Я. К теории винтового МГД-динамо // Магнит.гидродинамика. 1976. N.2. С.3-6.

12. Гайлитис.А., Карасев.Б.Г., Кирилов.И.Р. и др. Эксперимент с жидкометадлической моделью МГД-динамо// Магнит.гидродинамика. 1987. N.4. С.3-7.

13. Зимин В.Д. Оптические методы исследования прозрачных ^ неоднородностей // Учебное пособие по спецкурсу. Изд. Пермского ун-та,1976.

14. Иванов В.Н., Соловьев А.А. Лабораторное моделирование элементов тропического циклона // Тропическая метеорология, Л., 1989. с. 55.

15. Иванов М.Ф., Поварницын М.Е. Численное моделирование эволюции ^ интенсивных конвективны* вихрей тайфунного Типа во враЩак>Щейсяжидкости // Известия АН. Механика жидкости и газа. 2003. № 3. С. 69-78.

16. Краузе Ф., Редлер К.-Х. Магнитная гидродинамика средних полей и теория динамо // М: Мир. -1984.

17. Мартыненко.О.Г., Соковишин.Ю.А. Свободный теплообмен: Справочник.1. Ч'

18. Минск:Наука и техника. 1982.vt

19. Мартыненко.О.Г., Соловьев А.А., Солодухин А.Д., Федорей В.Г. Лабораторное моделирование вихрей и физические процессы в тропических циклонах // Тропическая метеорология, Л., 1989.C. 60.

20. Мартыненко О.Г., Соловьев А.А., Солодухин А.Д., Перес-Герра С.Э. Физические модели вихревых образований // Тропическая метеорология, Л., 1989.С. 94.

21. Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Яновский В.В. Теория возникновения крупномасштабных структур в гидродинамической турбулентности // ЖЭТФ. 1983. Т.85. Вып.6. С.1979-1987.

22. Моффат Г. Возбуждение магнитного поля в проводящей среде. М.: Мир, 1980. 339с.

23. Незлин М.В. Об адекватности моделирования вихревых астрофизических структур в опытах на вращающейся мелкой воде // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1991. Т. 27. № 1. С. 32-45.

24. Пономаренко Ю.Б. К теории гидродинамического динамо // ПМТФ. 1973. N.6. С.47-51.

25. Соловьев А.А. Существование магнитного динамо для динамически возможного движения проводящей жидкости // Докл. АН СССР. 1985. Т.282. N.l. С.44-48.

26. Степанов Р.А., Фрик П.Г. Винтовое МГД-динамо в реальных потоках в трубах // Гидродинамика, Пермь: Изд-е Перм. ун-та, 1999. N.12. С.240-251.

27. Тарунин Е.Л. Течение вязкой жидкости в замкнутой полости при наличии проскальзывания // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1980. № 1. С. 10-17.Т

28. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука. 1969. 742с.

29. Al-Arabi М. and El-Riedy М.К. Natural convection heat transfer from isothermal horizontal plates of different shapes // J.Heat and Mass Transfer. 1976. V.19.N 12. p. 1399-1405.

30. Alekseenko S.V., Kuibin P.A., Okulov V.L., Shtork S.I. Helical vortices in swirl flow //J.Fluid Mech. 1999. V.382. P. 195-243.

31. Boubnov B.M. and Golitsyn G.S. Experimental study of convective structures in rotating fluids // J. Fluid Mechanics. 1986. V. 167. P. 503-533.

32. Coates M.J., Ivey G.N. On convective turbulence and the influence of rotation // J. Dynamics of Atmosphere and Oceans. 25. 1997. pp. 217-232.

33. Colgate S.A., Pariev V.I., Beckley H.F., Ferrel R., Romero V.D., Weatherall J.C. The New Mexico dynamo experiment: modeling astrophysical dynamos // Magnetohydrodynamics, Vol.38(2002), No.l-2,pp.l43-163.

34. Colomer J., Boubnov B.M., Fernando H.J.S. Turbulent convection from isolated sources // J. Dynamics of Atmosphere and Oceans. 30. 1999. pp. 125-148.

35. Forest C.B., Bayliss R.A., Kendrick R.D., Nornberg M.D., O'Connell R., Spence E.J. Hydrodynamic and numerical modeling of a spherical, homogeneous dynamo experiment // Magnetohydrodynamics, Vol.38(2002), No. 1-2,pp. 107-121.

36. Gailitis A., Lielausis O., Dement'ev S. Platacis E., Cifersons A.,Gerberth G., Gundrum Т., Stefani F., Christen M., Hanel H.,Will G. Dinamo experiments at the Riga sodium facility // Magnetohydrodynamics, Vol.38(2002), No. 1-2,pp.5-15.

37. Goldstein R.J., Sparrow E.M. and Jones D.C. Natural convection mass transfer adjacent to horizontal plates // J.Heat and Mass Transfer. 1973. V.16.N 5.p.l025-1037.

38. Highnett Phillip, Ibbetson Alan and Killworth Peter D. On rotating thermal convection driven by non-uniform heating from below // J. Fluid Mechanics. 1981. V. 109. P. 161-189.

39. Hopfinger E.J., Browand K. and Gagne Y. Turbulence and waves in a rotating tank // J. Fluid Mechanics. 1982. V. 125. P. 505-535.

40. Jilien K., Legg S., McWilliams J. and Werne J. Rapidly rotating turbulent Rayleigh-Benard convection // J. Fluid Mechanics. 1996. V. 322. P. 243-273.

41. Keith Jilien, Sonya Legg, Jim McWilliams, Joseph Werne. Penetrative convection in rapidly rotating flows: preliminary results from numerical simulation // J. Dynamics of Atmosphere and Oceans. 24. 1996. pp. 237-249.

42. Katharine M.Kanak, Douglas K.Lilly and John T.Snow. The formation of vertical vortices in the convective boundary layer // Q.J.R.Meteorol.Soc.(2000).126. pp. 2789-2810.

43. Levina G.V., Moiseev S.S., Rutkevich P.B. Hydrodynamical alpha-effect in a convective system // Advances in Fluid Mechanics. Nonlinear Instability, Chaos and Turbulence, V.2. Eds. L.Debnath and D.N.Riaha, Southampton, WIT Press. 1999.

44. Levy M.A. and Fernando H.J.S. Turbulent thermal convection in a rotating stratified fluid // J. Fluid Mechanics. 2002. V. 467. pp. 19-40.

45. Montgomery M.T., Vladimirov V.A., Denissenko P.V. An experimental study on hurricane mesovortices // J. Fluid Mech. 2002. V. 471. P. 1-32.

46. Ogino Fumimaru, Takaji Inamuro, Kei Mizuta, Atsushi Kino, Ryuji Tomita. Flow characteristics on a heated rotating disc under natural convection dominant conditions // J.Heat and Mass Transfer. 2002. N.45.p.585-595.

47. Ruzmaikin A., Sokoloff D., Shukurov A. Hydromagnetic screw dynamo // J. Fluid. Mech. 1988. V.197. P. 39-56.

48. Stefan Schreck and Stanley J.Kleis. modification of grid-generated turbulence by solid particles // J. Fluid Mechanics. 1993. Vol.249, p. 665-688.4 г

49. Sommeria J. Experimental study of the two-dimensional inverse energy cascade in a square box // J. Fluid Mechanics. 1986. V. 170. pp. 139-168

50. Steglitz R., Muller U. Experimental demonstration of a homogeneous two-scale dynamo // Magnetohydrodynamic at Dawn of Third Millenium, Proc. PAMIR Conf. Presqu'ile de Giens, France, 2000. V.l. P. 175 182.

51. Steglitz R., Muller U. Experimental demonstration of a homogeneous two-scale dynamo // Magnetohydrodynamics, Vol.38(2002), No.l-2,pp.27-35.

52. Vorobieff Peter, Ecke Robert E. Vortex structure in rotating Rayleigh-Benard convection//Physica D 123.1998.p.l53-160.

53. Zeldovich Ya.B., Ruzmaikin A.A., Sokoloff D.D. Magnetic Fields in Astrophysics. N.Y. Gordon and Breach, 1983. 386 p.

54. Баталов В.Г., Левина Г.В., Сухановский A.H., Фрик П.Г. Поля скорости в крупномасштабном вихре над локализованным источником тепла во вращающемся слое жидкости // Гидродинамика: Межвуз. сб. науч. трудов, вып.14, с.9-20, Пермский университет Пермь, 2004.