СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОГРАНИЧЕННЫХ (ЗАМКНУТЫХ) НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ
METHOD OF LIMITED (CLOSED) NON-STATIONARY EDDY CURRENTS IMAGING

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать ограниченные вихревые потоки жидкости. Изобретение может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной гидродинамике. Возможно применение в экологии, технологиях химических и каталитических реакций, изучении атмосферных явлений, а также ряде других областей науки и промышленных технологий, связанных с необходимостью невозмущающих измерений и контроля.
Экспериментальное исследование замкнутых нестационарных вихревых течений, генерируемых различными модельными устройствами, например, в цилиндрическом контейнере с вращающимися крышками, является непростой задачей в силу того, что подобные течения обычно характеризуются широкополосным набором различных компонент движения.
Для исследования динамики нестационарного вихревого течения и его кинематических характеристик наиболее перспективно использовать оптико-лазерные методы, не вносящие возмущения в исследуемый гидродинамический поток. Данные методы являются наиболее универсальными для регистрации кинематических характеристик нестационарных потоков жидкости и газа, позволяют проводить как локальные, так и панорамные (полевые) измерения в трехмерных потоках с высоким пространственным и временным разрешением, однако требуют использования мощных источников лазерного излучения и чувствительных фотоприемников. Наименее затратным и более простым методом является визуализация исследуемого течения. Визуализация выполняется с использованием различных типов оптических неоднородностей (например, вводимых в поток засеивающих частиц нейтральной плавучести) и освещением потока световым сечением. Фиксация разными способами (фото- и видеосъемкой, простым наблюдением) положения частиц в потоке в разные моменты времени позволяет получить качественную информацию о разных особенностях потока (вихрях, застойных зонах и зонах возвратного течения) и оценить пространственный размер этих областей.
3
3
Известен способ визуализации вихревого потока текучей среды в закрытом цилиндре (Sorensen J.N. Visualization of rotating fluid flow in a closed cylinder. Lyngby, Denmark: DTU, Department of Fluid Mechanics. 1992. Rep. AFM 92-06), при котором в объем с рабочей жидкостью вводят частицы, освещают поток световым сечением, фиксируют фотокамерой положение частиц в потоке в разные произвольные моменты времени. Вихревое течение в замкнутом цилиндре генерируется вращающейся с постоянной угловой скоростью верхней крышкой. В качестве светового сечения используют «лазерный нож», в качестве частиц используют Родамин-В со средним диаметром частиц 30 мкм. Для получения равномерного распределения рассеивающих частиц в потоке они заранее вводятся в контейнер, чтобы устранить возможность асимметрии. В качестве рабочей жидкости выбирается вода или водно-глицериновая смесь различной концентрации, с плотностью от 1 г/см - вода до 1,23 г/см - глицерин. Засеивающие частицы плотностью, близкой к плотности рабочей жидкости, обладают нейтральной плавучестью и равномерно распределены в потоке. Данный способ хорошо работает при стационарном режиме течения до числа Рейнольса (Re) 2500, но при увеличении числа Рейнольдса (Re) формируется нестационарное течение и движение частиц все более отклоняется от линий течения жидкости.
Недостатки способа:
1) качество картины структуры потока в различных областях светового сечения пропорционально времени записи и концентрации частиц;
2) при исследовании закрученного течения визуализация дает хорошие данные только для осесимметричного стационарного режима;
3) При Re больше 2500 наблюдается несоответствие наблюдаемых положений частиц структуре движения жидкости - область возвратного течения не визуализируется.
Известен способ (Наумов И.В., Окулов В.Л., Соренсен Ж.Н. Диагностирование пространственной структуры вихревых мультиплетов в закрученном течении // Теплофизика и аэромеханика, 2010. Т. 17, N 4. С. 585-593), при котором в объем с рабочей жидкостью вводят частицы. В качестве частиц используют воздушные пузырьки диаметром 0,2-0,3 мм. В замкнутом цилиндрическом контейнере пузырьки собираются на верхней крышке за счет растворенного в рабочей жидкости воздуха. Пузырьки образуются естественным путем при дегазации либо вводятся принудительно в рабочую жидкость (водно-глицериновую смесь). При вращении верхней крышки пузырьки двигаются от периферии вниз цилиндра и благодаря более низкому значению давления в центре вихрей пузырьки воздуха, при движении вдоль оси цилиндра вверх, собираются на их оси, образуя хорошо наблюдаемую тонкую воздушную нить.
Недостатки:
1) при Re больше 3000 и переходе к развитому нестационарному течению градиента давления становится недостаточно для движения пузырьков по вихревым осям, и структура потока не визуализируется.
3
Известен способ визуализации, описанный в работе Эскудье (Escudier М.Р. Observation of the flow produced in cylindrical container by rotating endwall // Experiments in Fluids, 1984. №2, p. 189-196.), при котором в объем с рабочей жидкостью вводят частицы, освещают поток световым сечением, фиксируют фотокамерой положение частиц в потоке в разные произвольные моменты времени. В качестве частиц используют флуоресцентный краситель. В качестве светового сечения используют «лазерный нож». Краситель вводят вдоль оси цилиндрического контейнера после установления необходимого для проведения исследований режима течения (через отверстие в нижней вращающейся крышке, генерирующей соосную с осью вращения крышки вихревую структуру). Краситель имеет плотность, близкую к плотности рабочей жидкости - водно-глицериновой смеси плотностью от 1 до 1,23 г/см.
Недостатки способа:
1) подача красителя приводит к тому, что через некоторое время он заполняет весь контейнер, перемешиваясь и не позволяя визуализировать структуру потока.
2) при Re больше 3000 формируется нестационарное течение, при этом прецессирующая вихревая ось не совпадает с точкой ввода красителя и поэтому краситель движется не по вихревой оси.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ, описанный в работе (Окулов В.Л., Меледин В.Г., Наумов И.В. Экспериментальное исследование закрученного потока в кубическом контейнере // ЖТФ. 2003. Т. 73, №10. С. 29-35), при котором в объем с рабочей жидкостью вводят частицы. Через отверстие в нижней неподвижной крышке при вращающейся верхней придонную область замкнутого контейнера заполняют красителем с плотностью, в 1,02-1,08 раза превышающую плотность рабочей жидкости. Например, рабочая жидкость водно-глицериновая смесь, а краситель - раствор концентрированного молока. Краситель вводят после установления необходимого для проведения исследований режима течения, регулируя угловую скорость вращения крышки. Краситель поднимается со дна контейнера восходящим приосевым течением, визуализируя различные структуры течения для разных значений режимных параметров. Визуализация распада вихревой структуры проводилась при Re=5000, 5500 и 6000.
Недостатки:
1) при нестационарном режиме течения при Re больше 6000 краситель перебалтывается потоком, не позволяя идентифицировать вихревую структуру.
Для больших чисел Рейнольдса возникает сложное нестационарное течение с двумя процессами колебаний: прецессии винтового вихревой структуры вокруг вертикальной оси контейнера и осцилляций рециркуляционной зоны вдоль этой оси. Краситель со дна контейнера восходящим течением поднимается по вихревой оси, визуализируя ядро прецессирующей вихревой структуры. При Re=5000 и 5500 наблюдается устойчивая картина распада вихревой структуры спирального типа. При увеличении числа Рейнольдса амплитуда этих двух колебаний в потоке увеличивается, и визуализация при числах Рейнольдса больше чем 6000 становится бесполезной, так как краситель размывается и заполняет собой весь контейнер. В случае визуализации красителем с очень близкой к рабочей жидкости плотности можно предположить, что на осях вихрей находится максимум осевой скорости течения и за счет этого частицы красителя увлекаются вдоль осей быстрее, делая видимыми как изначальный одиночный вихрь, так и многовихревую структуру после его распада.
Хотя ранее подобное расщепление ядра в закрученном потоке в трубе наблюдалось с помощью визуализации красящим веществом близкой к воде плотности (например, в Faler, J.H., Leibovich, S. An experimental map of the internal structure of a vortex breakdown // J Fluid Mech. 1978. 86(2), p. 313-335), но оно обеспечивалось непрерывной подачей краски к точке расщепления центрального вихря. В замкнутых нестационарных вихревых течениях заранее положение точки расщепления неизвестно из-за прецессии вихревого ядра, и способ предварительного хаотического засеивания трассерных частиц, а также ввод красителя по геометрической оси не мог обеспечить их непрерывную подачу к данной точке.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности проведения исследования замкнутых нестационарных вихревых течений при Re больше 6000.
Поставленная задача решается тем, что в способе визуализации замкнутых нестационарных вихревых течений, при котором после установления исследуемого режима течения через отверстие в нижней неподвижной крышке придонную область замкнутого объема с рабочей жидкостью заполняют красителем, согласно изобретению используют краситель с плотностью, в 1,2-1,4 раза превышающей плотность рабочей жидкости, при этом в процессе визуализации плотность красителя уменьшается, а время растворения красителя больше характерных времен визуализации течения.
3
Согласно изобретению краситель имеет переменную плотность (например, сгущенное молоко с сахаром с плотностью 1,2-1,5 г/см). Краситель с более высокой плотностью, чем рабочая жидкость, заполняет дно замкнутого контейнера, при этом краситель не перебалтывается при нестационарных режимах течения и не меняет прозрачность среды. При уменьшении плотности красителя (растворении сахара) он, увлекаемый нестационарным прецессирующим вихревым течением, вытягивается вдоль именно вихревой оси, а не геометрического центра замкнутого контейнера и движется со скоростью потока, позволяя однозначно идентифицировать вихревую структуру. При Re больше 6000, характеризующем развитый нестационарный режим, данный способ позволяет проводить визуализацию и однозначно идентифицировать вихревые структуры и их распад.
3
На фиг. 1 показана визуализация структуры распада вихревого ядра в закрытом контейнере квадратного сечения (ввод красителя в геометрический центр дна кюветы, краситель имеет плотность, близкую к плотности рабочей жидкости - водно-глицериновой смеси плотностью от 1 до 1,23 г/см), где
а) визуализация структуры при Re=4207,
б) визуализация структуры при Re=4350,
в) визуализация структуры при Re=5160.
На фиг. 2 показана визуализация структуры распада вихревого ядра в закрытом контейнере квадратного сечения (заполнение придонной области рабочего объема красителем: рабочая жидкость водно-глицериновая смесь; краситель - раствор сгущенного молока с сахаром), где
а) визуализация структуры при Re=6000,
б) визуализация структуры при Re=7000,
в) визуализация структуры при Re=8000.
Способ визуализации осуществляется следующим образом.
После установления исследуемого нестационарного режима вихревого течения, определяемого угловой скоростью вращения крышки, придонную область замкнутого контейнера с рабочей жидкостью заполняют красителем, плотность которого в 1,2-1,4 раза превышает плотность рабочей жидкости. В процессе визуализации плотность красителя уменьшается и он, увлекаемый нестационарным прецессирующим вихревым течением, вытягивается вдоль вихревой оси и движется со скоростью потока, позволяя однозначно идентифицировать вихревую структуру.
Пример. Рабочая жидкость - вода, краситель - сгущенное молоко с сахаром. После установления нестационарного режима через отверстие в нижней неподвижной крышке цилиндрического контейнера придонную область заполняют сгущенным молоком с сахаром. Далее сахар растворяется, тем самым изменяется плотность красителя, и он, увлекаемый нестационарным прецессирующим вихревым течением, вытягивается вдоль вихревой оси и движется со скоростью потока, позволяя однозначно идентифицировать вихревую структуру.