Моделирование структуры дозвуковых закрученных потоков в присутствии локализованных источников тепловыделения

• Автор: Порфирьев, Денис Петрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 124 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 СТАЦИОНАРНАЯ СТРУКТУРА ВИХРЕВОГО ПОТОКА В ТРУБКЕ С ОТКРЫТЫМ КОНЦОМ ПРИ НАЛИЧИИ ЛОКАЛИЗОВАННОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ
1.1 Постановка задачи. Основные уравнения и параметры задачи, настройки FLUENT
1.2 Классификация типов течения закрученного потока холодного воздуха в зависимости от тангенциального и аксиального расходов газа
1.3. Структура температурного поля в вихревом потоке при наличии локализованных источников тепловыделения
1.4 Моделирование структуры газовых разрядов в вихревых потоках
2 НЕУСТОЙЧИВОСТИ ВИХРЕЙ В ПРИСУТСТВИИ источников
ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ
2.1 Обзор механизмов абсолютной неустойчивости вихревых движений
2.2 Устойчивость вихря Рэнкина в равновесном закрученном потоке в открытой трубке с локализованным источником тепловыделения
2.3 Устойчивость одиночного вихря в тепловыделяющей газоплазменной среде при наличии положительной обратной связи между тепловыделением в среде и возмущением потока
3 НЕСТАЦИОНАРНАЯ СТРУКТУРА ВИХРЕВОГО ПОТОКА В ТРУБКЕ С
ОТКРЫТЫМ КОНЦОМ ПРИ НАЛИЧИИ ЛОКАЛИЗОВАННОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ
3.1 Обзор результатов работ, посвященных исследованию крупномасштабных вихревых структур в закрученных потоках
3.2 Постановка задачи. Основные уравнения и параметры задачи, настройки ANSYS FLUENT
3.3 Расчет структуры нестационарного закрученного потока при наличии локализованных источников тепловыделения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Вихревые устройства с тепловыделяющими газо-плазменными рабочими средами широко используются в современной технике. В тоже время, имеющиеся данные о совместном влиянии закрутки, турбулентности, теплоообмена и разрядной плазмы на структуру течения весьма неполны. Существующие работы в этой области, прежде всего экспериментальные, показывают, что наличие источников тепловыделения может заметно менять условия развития неустойчивости течений и области существования как различных типов течений, так и разрядных структур в вихревом потоке. Усложняет проблему тот факт, что с целью интенсификации рабочих процессов вихревые аппараты обычно эксплуатируются на режимах с повышенными массовыми расходами и сильной закруткой потока. При этом течение
оказывается существенно трехмерным и, как_правило, нестационарным
Поэтому комплексное рассмотрение данных факторов на процессы переноса и горения разряда в турбулентных закрученных потоках представляет весьма сложную и, в связи с практическими потребностями, актуальную задачу.
Существует небольшое число работ, посвящённых влиянию плазменных зон на вихревые структуры и демонстрирующих заметную перестройку вихревых структур при относительно малых энерговкладах. Детальные экспериментальные исследования вихревого потока с зонами тепловыделения, создаваемыми разрядами различного типа в камере с открытым концом были проделаны в ОИВТ РАН. В этих экспериментах наблюдались скачкообразные качественные перестройки структуры тлеющего и ВЧЕ-разряда в вихревых потоках (альфа-гамма переходы, контракция разряда, переход от филаментарного стримерного в режим стабильного протяжённого плазмоида и обратно, ряд других), а также параметров потока, в частности, образование зон противототока или, наоборот, сужения их вплоть до полного исчезновения. Наблюдалась сильная перестройка вихревого потока и светящихся областей, создаваемых тлеющим и ВЧЕ-разрядом в вихревой камере с открытым концом. Зафиксированные существенные изменения аксиальных и тангенциальных

скоростей в разных разрядных условиях подтверждают гипотезу, что неравновесная плазма способна усиливать и разрушать вихревые образования. Эксперименты продемонстрировали качественное изменение структуры вихря в присутствие тепловыделения в области разрядной плазмы.
Теоретические исследования, в которых начали получать объяснения некоторые экспериментальные эффекты, носят отрывочный и предварительный характер. В частности, существуют работы, где исследована устойчивость цилиндрического вихря в тлеющем разряде и показано, что он может быть разрушен или усилен в зависимости от геометрии и условий разряда. Всё это говорит в пользу возможности использовать плазму как средство управления параметрами вихря.
Описанные выше проблемы делают актуальной тему диссертационного исследования-, ее-цель-п-основные-задачи
Целью диссертации является теоретическое исследование влияния стационарного тепловыделения в газовой среде на структуру вихревого потока в вихревой камере с открытым концом.
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:
- Исследовать структуру вихревых потоков в круглой трубе с открытым концом и осесимметричными источниками тепловыделения в зависимости от тангенциальной и осевой составляющих расхода газа и мощности тепловыделения.
- Дать качественное объяснение экспериментально наблюдаемым трансформациям ВЧЕ - разряда в воздухе в круглой трубе с открытым концом под воздействием вихревых течений.
- Изучить влияние источников тепловыделения на устойчивость стационарных вихревых профилей и закрученных потоков различного типа.
- Определить влияние источников тепловыделения на параметры прецессирующего вихревого ядра нестационарных турбулентных вихревых потоков в круглой трубе с открытым концом.

изменение направления прорастания светящегося конуса на противоположное с ростом расхода газа.
Очевидно, объяснение наблюдаемых эффектов следует из результатов численного моделирования структуры газового потока в присутствии локализованных источников тепловыделения.
С этой целью были проведены численные эксперименты на основе системы (1.1), в которых радиальные распределения тангенциальной и осевой скоростей /)(г),/2(г) выбирались близкими к экспериментально измеренным в [18,19] в торцевом завихрителе с углом закрутки 45°. Радиальная зависимость объёмного источника нагрева (моделирующего нагрев в разряде) соответствовала преимущественному выделению тепла (-70%) в кольцевом цилиндре с радиусами 0.5К < г < Я, длиной Ь = 1 см. Положение центра источника г = 0.4 м, [18,19]. Полная мощность разряда считалась равной 1.2 кВт.
Полученные в разделе 1.3 закономерности изменения структуры потока с локальным источником нагрева в зависимости от расхода газа позволяют качественно объяснить наблюдаемые особенности светимости поперечного разряда в закрученном потоке [22].
Очевидно, что интенсивность излучения будет больше в более нагретой области. При малых расходах газа сильно нагретые и возбуждённые в разрядной области продукты эрозии электродов и плазмохимических реакций уносятся в прямом направлении от разрядной области, образуя светящийся след по потоку (рисунки 1.16а, 1.14а). С увеличением расхода длина этого следа уменьшается. Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к выносу светящихся продуктов плазмохимии осевым противотоком, образуя наблюдаемый светящийся конус, растущий в направлении завихрителя [22,24] (рисунки 1.166, 1.46).