ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Формирование вторичных течений из "Пространственные пристенные турбулентные течения в угловых конфигурациях" Вторичные течения — это общий термин, который используется для обозначения поля осредненного по времени поперечного потока, который характеризуется компонентами V я , лежащими в плоскости, перпендикулярной оси х, направленной вдоль основного потока [2]. Вторичное течение 1-го рода является результатом развития средней завихренности, направленной вдоль потока и индуцированной скосом потока в плоскости среднего сдвига. Механизм образования таких течений (1-го рода по Прандтлю) является существенно невязким. Заметим, кстати, что некоторые типы отмеченных течений рассмотрены в обзорной статье Джонстона [128]. Напротив, вторичное течение 2-го рода является чисто вязкостным эффектом и вызывается градиентами рейнольдсовых напряжений в направлении осей у я г двугранного угла. Таким образом, данный тип течения (2-го рода по Прандтлю [43 ]) представляет собой явление, целиком обусловленное анизотропностью турбулентности, и, в отличие от вторичного течения 1-го рода, не может возникать ни в ламинарном течении ньютоновской жидкости, ни в круглых цилиндрических каналах. [c.114] По-видимому, одно из первых альтернативных объяснений причин возникновения вторичных течений было предложено Таунсендом [1311, которое основано на анализе поведения определенных членов в уравнениях для напряжений Рейнольдса. Хинце [132] безотносительно к течению в углах установил, что при рассмотрении области течения, не слишком близкой к стенке, применение обычных приближений пограничного слоя к уравнению баланса пульсационной энергии приводит к следующему условию. Если в некоторой локализованной области порождение энергии много больше диссипации, то там должно существовать вторичное течение, которое переносит жидкость с малой пульсационной энергией внутрь этой области, а с большой — за пределы ее. [c.116] Это означает, что для адекватного описания вторичных течений необходимо корректно моделировать именно эти два члена. [c.117] Многие из выполненных численных исследований оказались в состоянии отразить существование вторичных течений, но согласие с экспериментальными данными не является вполне удовлетворительным, поскольку разница с измеренными значениями может достигать порядка самой величины. Расхождение обусловлено не только погрешностью самого эксперимента, но и возможным эмпиризмом, имеющим место при моделировании различных корреляций в уравнениях переноса. Другая особенность состоит в том, что информация о развитии вторичных течений должна существовать в индивидуальных реализациях турбулентного поля течения. Поэтому как альтернативу к методу осреднения по Рейнольдсу необходимо использовать зависящие от времени уравнения Навье — Стокса, обеспечивающие разрешение по всем временным и пространственным масштабам турбулентного течения. Такое прямое численное моделирование не требует каких-либо моделей турбулентности и может давать полезную информацию о структуре турбулентности. Так как этот метод разрешает все масштабы длины, вычислительная область очень велика, что требует большого времени счета и поэтому ограничивается низкими числами Re. [c.118] Используя главным образом экспериментальные достижения работ [52, 56, 68], в [57] удалось создать альтернативную модель развития вторичных течений, которая в значительной мере объясняет характер течения в неограниченном и даже ограниченном двугранном угле. В первом случае центральную область, в которой формируются вторичные течения, можно представить как две ячейки вихрей, каждая из которых располагается по одну сторону биссектрисы угла (рис. 2.28). Форма ячейки описывается приблизительно равнобедренным треугольником ОАО с углами при вершинах 45 67.5 67.5°. За пределами этой области формируется течение типа вихревого с линиями тока, обеспечивающими плавный переход из трехмерной области к двумерному пограничному слою. Точка торможения вторичного потока D размещается примерно на расстоянии (0.95—0.98)(3, где д — толщина пограничного слоя в биссекторной плоскости угла. [c.119] Поскольку в распределении продольной составляющей скорости наблюдается полная симметрия относительно биссекторной плоскости двугранного угла, ясно, что и для поперечного течения такая симметрия сохраняется. Следовательно, в окрестности биссекторной плоскости угла по обе стороны от нее развиваются два вихря противоположного направления вращения. Центр вихря в направлении размаха двугранного угла располагается на расстоянии порядка (0.8—0.9)0 . [c.120] Аналогичные измерения в других поперечных сечениях и в других условиях обтекания подтверждают полученную схему течения. Подобная схема, обнаруженная в ряде работ (68, 144], типична для симметричных угловых конфигураций не только с точки зрения качественной структуры потока, но и полученных количественных результатов. Таким образом, представленная на рис. 2.28 физическая модель в целом описывает наиболее характерные особенности вторичных течений в двугранном угле. [c.120] в условиях низких дозвуковых скоростей вторичные течения, возникающие в области взаимодействия пограничных слоев, сравнительно невелики, т.е. достигают величин порядка нескольких процентов скорости набегающего потока. Однако несмотря на малость, они приводят к возмущению продольного сдвигового потока, в значительной степени определяя структуру турбулентных пристенных течений в окрестности линии пересечения плоских поверхностей. В частности, тот факт, что темп нарастания пограничного слоя в биссекторной плоскости двугранного угла несколько меньше, чем в двумерной области, следует отнести за счет утоньшающего воздействия поперечных течений. Не случайно в случае изменения направления их движения на противоположное, как это имеет место при ламинарном обтекании, пограничный слой в плоскости симметрии становится значительно более развитым [39 ]. Вторичные течения воздействуют как механизм конвективного переноса в плоскости, нормальной к направлению основного потока. Как с,тедует из [61] на основе оценки членов первого порядка, эти течения конвектируют количество движения, завихренность основного потока, а также полную энергию среднего движения. Воздействуя на распределение изотах, поперечные потоки существенно изменяют также протяженность области взаимодействия, коэффициент поверхностного трения, тепловой поток к стенке [148] и другие характеристики вязкого течения в угле. [c.122] Характер развития вторичных потоков в других случаях обтекания двугранного угла рассматривается ниже по мере изменения конкретных условий течения вдоль угла. Отметим здесь лишь основные особенности формирования таких течений в угловых конфигурациях, образованных пересекающимися поверхностями с углом раствора, отличным от прямого. Предварительно заметим, что вторичные течения 2-го рода наиболее часто являются предметом изучения в каналах квадратного поперечного сечения, т.е. в конфигурациях с относительно простой геометрией, обеспечивающей прекрасную возможность для тестирования и разработки моделей турбулентности. Как известно, в этом случае вторичные течения состоят из восьми продольно развивающихся вихрей (по два контрвраща-ющихся вихря в каждом угле) с направлением потока к углам из центра канала вдоль биссектрисы и затем к центру канала вдоль сопрягаемых стенок. [c.123] Имеются и другие причины создавшейся ситуации, суть которых сводится в основном к тому, что количественная информация о вторичных течениях носит явно разрозненный характер, поскольку получена в самых различных геометрических ситуациях гидролотках, каналах, трубах. К тому же реализующиеся в таких условиях течения далеко не всегда идентичны таковому, формирующемуся в неограниченной угловой конфигурации, что свидетельствует о необходимости специального рассмотрения этого вопроса. Ниже мы постараемся внести здесь некоторую ясность, используя имеющийся на сегодняшний день материал. [c.125] Вернуться к основной статье