ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, КАК СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ (НА ПРИМЕРЕ ШАРА, КРУГОВОГО ЦИЛИНДРА И КУБА)

Картуесова А.Ю.

Аспирант, Калужский государственный университет

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, КАК СПОСОБ  ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ (НА ПРИМЕРЕ ШАРА, КРУГОВОГО ЦИЛИНДРА И КУБА)

Аннотация

В статье приведены результаты экспериментальных исследований процессов обтекания плохообтекаемых тел  с помощью методов визуализации течений. Целью эксперимента было изучение особенностей образования и отрыва пограничного слоя. На основе анализа результатов полученного материала сделаны выводы об основных особенностях отрывных зон вблизи кругового цилиндра, шара и куба и методах их наблюдения.

Ключевые слова: визуализация, пограничный слой, отрыв.

Kartuesova A.Y.

Postgraduate student, Kaluga State University

VISUALIZATION AS A RESEARCH METHOD OF FLOWING PROCESSES FOR BODIES (ILLUSTRATED THE SPHERE, THE CIRCULAR CYLINDER AND THE CUBE)

Abstract

This article presents the results of experimental studies of flowing processes of bluff bodies using imaging techniques currents. The aim of the experiment was to study the peculiarities of the formation and separation boundary layer. Conclusions were drawn, that  the main features of separated zones near the circular cylinder, the sphere and the cube and the methods of their observations based on the analysis results.

Keywords: visualization, boundary layer, separation.

Исследование взаимодействия между жидкостями и твердыми телами весьма актуальная и активно изучаемая тема сегодня. Учет особенностей и характера этих  взаимодействий является основой при проектировании водоснабжения, промышленных и транспортных гидропередач и т. д. Чтобы понять «физику» процессов, происходящих при обтекании тел потоком жидкости или газа, необходимо наблюдать картину течения. Это возможно с помощью одного из видов изучения течений - визуализации.

Визуализация течений определяется как приём, позволяющий наблюдать течение жидкости или газа непосредственно или с помощью оптического устройства. Используется для установления качественных характеристик, в том числе: наличия и формы областей отрыва пограничного слоя, вихрей и скачков уплотнения, спектра потока и состояния потока.

Как известно, все плохообтекаемые тела разделяют на две группы. Одна из них - тела с острыми кромками, которые имеют фиксированные точки отрыва (тела прямоугольного, квадратного и других сечений), другая -  тела, имеющие плавные  контурами сечений большого радиуса кривизны, с перемещающимися точками отрыва (круговой цилиндр, шар,  и др.). Процессы образования отрыва пограничного слоя соответственно различны для каждой группы, как будет показано ниже.

В качестве исследуемых тел рассматривались круговой цилиндр, шар и куб. Для визуализации течений применяются  и различные методы, описанные в литературе [1, 4]. При проведении исследования  по визуализации  течения вязкой жидкости на примере воды   использовались следующие два способа:

1) визуализация  с помощью краски, вводимой в поток (позволяет исследовать глубинные процессы турбулентности вязкой жидкости, т. е. рассмотреть завихрения, возникающие во всем объеме жидкости, Рис. 1, 3);

2) визуализация  с помощью алюминиевого порошка (позволяет исследовать линии тока на всей поверхности жидкости, Рис. 2).

Рис. 1 - Обтекание шара при Re = 1406 (визуализация с помощью чернил)

Рис.2 - Обтекание цилиндра при Re=1413(визуализация алюм. порошком)

Рис.3 - Обтекание куба при Re=2074 при угле атаки 45⁰ (визуализация с помощью флуоресцирующей жидкости)

Некоторые особенности образования пограничного слоя и форм течения при обтекании кругового цилиндра, шара и куба.

Полученные в ходе исследования фото -  и видеоматериалы позволяют некоторым образом описать характер формы и области отрыва пограничного слоя для плохообтекаемых тел.

Были сделаны следующие выводы для кругового цилиндра и шара: с увеличением значения числа Рейнольдса толщина пограничного слоя увеличивается, внутри пограничного слоя возникает вихревое движение, начинается отрыв пограничного слоя; увеличение скорости сопровождается перемещением точки отрыва пограничного слоя вверх по потоку.

Образования пограничного слоя при обтекании куба имеет ряд отличительных свойств, поэтому процесс течения рассматривался для двух углов атаки: 0⁰ и 45⁰, являющиеся крайними случаями ориентации куба в водном потоке. В процессе исследования было замечено следующее: при угле атаки φ = 0° отрывное течение симметрично относительно продольной оси потока и происходит образование зоны рециркуляции на боковых гранях из-за отрыва потока на передней грани; при угле атаки φ = 45° течение имеет клинообразную форму; при углах атаки от φ = 0⁰ до 45°отрывная зона асимметрична и течение на задних гранях куба находится под влиянием застойной зоны.

С помощью рассмотренных методов визуализации возможно исследование процессов течения, как на поверхности потока, так и внутри. Но метод визуализации с помощью краски вводимой в поток имеет большее преимущество, так как он позволяет визуализировать процессы течения внутри жидкости, наиболее полно показывает характер циркуляции вихрей, зоны уплотнения и разряжения в них. Это может быть использовано для объяснения распределения давления и характера теплообмена.

Полученные в ходе работы материалы довольно хорошо согласуются с данными других исследований [2, 3, 4].

Литература

1. Мошаров В. Е., Радченко В.Н. Методы визуализации течений газа на поверхности // 10-я междунар. научно-техн. конф. ОМИП - 2009.
2. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.:Наука,1979. 416 с.
3. Терехов В.И., Гныря А.И., Коробков С.В. Вихревая картина турбулентного обтекания и теплообмен одиночного куба на плоской поверхности при различных углах атаки // Теплофизика и аэромеханика, 2010. Т. 17, № 4. 521-533 с.
4. Ван - Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М., Мир, 1986. 184с.