Вихровий рух усередині лунки складної геометрії
У роботі представлені дані візуального дослідження особливостей генерації та еволюції вихрової течії води всередині заглиблень на плоскій поверхні у вигляді одиночних V- і Λ-подібних лунок при обтіканні їх під різними кутами. Лунки зазначеної геометрії були сформовані в результаті спряження двох ова...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Гідродинаміка і акустика |
|---|---|
| Datum: | 2018 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2018
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174294 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вихровий рух усередині лунки складної геометрії / В.А. Воскобійник, А.В. Воскобійник, О.А. Воскобойник, В.М. Степанович, І.А. Хижа // Гідродинаміка і акустика. — 2018. — Т. 1, № 3. — С. 284-301. — Бібліогр.: 28 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-174294 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Воскобійник, В.А. Воскобійник, А.В. Воскобойник, О.А. Степанович, В.М. Хижа, І.А. 2021-01-11T19:38:10Z 2021-01-11T19:38:10Z 2018 Вихровий рух усередині лунки складної геометрії / В.А. Воскобійник, А.В. Воскобійник, О.А. Воскобойник, В.М. Степанович, І.А. Хижа // Гідродинаміка і акустика. — 2018. — Т. 1, № 3. — С. 284-301. — Бібліогр.: 28 назв. — укр. 2616-6135 DOI: doi.org/10.15407/jha2018.03.284 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174294 532.517 У роботі представлені дані візуального дослідження особливостей генерації та еволюції вихрової течії води всередині заглиблень на плоскій поверхні у вигляді одиночних V- і Λ-подібних лунок при обтіканні їх під різними кутами. Лунки зазначеної геометрії були сформовані в результаті спряження двох овальних фрагментів з видовженням 2. Швидкості основного потоку варіювалися в межах U=(0.1 ... 0.5) м/с, що відповідало діапазону чисел Рейнольдса Red=Ud/ν=(4...20) x103, розрахованих за діаметром заокруглення лунки. Візуалізація проводилася за допомогою спеціально підібраних водорозчинних покриттів і контрастних фарб з нульовою плавучістю, які вводилися в пристінний шар потоку. В работе представлены данные визуального исследования особенностей генерации и эволюции вихревого течения воды внутри углублений на плоской поверхности в виде одиночных V- и Λ-образных лунок при обтекании их под разными углами. Лунки указанной геометрии были сформированы в результате сопряжения двух овальных фрагментов с удлинением 2. Скорости основного потока варьировались в пределах U=(0.1 ... 0.5) м/с, что соответствовало диапазону чисел Рейнольдса Red=Ud/ν=(4...20) x103, рассчитанных по диаметру закругления лунки. Визуализация проводилась с помощью специально подобранных водорастворимых покрытий и контрастных красок с нулевой плавучестью, которые вводились в пристеночный слой потока. The paper presents the results of visual study of generation and evolution of the vortex flow inside the holes in the form of single V- and Λ-shaped grooves on a flat surface streamlined with a flow at different angles. The mentioned holes were obtained as a result of mating two oval fragments with an elongation of 2. The primary flow velocities varied within U=(0.1 ... 0.5) m/s that corresponds to the interval Red=Ud/ν=(4...20) x103 for the Reynolds numbers calculated by the diameter of the groove. The visualization was performed using the specially developed water-soluble coatings and contrasting colors with zero buoyancy that were injected to the wall flow layer. uk Інститут гідромеханіки НАН України Гідродинаміка і акустика Вихровий рух усередині лунки складної геометрії Вихревое движение внутри лунки сложной геометрии Vortex motion inside the hole of a complex geometry Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Вихровий рух усередині лунки складної геометрії |
| spellingShingle |
Вихровий рух усередині лунки складної геометрії Воскобійник, В.А. Воскобійник, А.В. Воскобойник, О.А. Степанович, В.М. Хижа, І.А. |
| title_short |
Вихровий рух усередині лунки складної геометрії |
| title_full |
Вихровий рух усередині лунки складної геометрії |
| title_fullStr |
Вихровий рух усередині лунки складної геометрії |
| title_full_unstemmed |
Вихровий рух усередині лунки складної геометрії |
| title_sort |
вихровий рух усередині лунки складної геометрії |
| author |
Воскобійник, В.А. Воскобійник, А.В. Воскобойник, О.А. Степанович, В.М. Хижа, І.А. |
| author_facet |
Воскобійник, В.А. Воскобійник, А.В. Воскобойник, О.А. Степанович, В.М. Хижа, І.А. |
| publishDate |
2018 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Гідродинаміка і акустика |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Вихревое движение внутри лунки сложной геометрии Vortex motion inside the hole of a complex geometry |
| description |
У роботі представлені дані візуального дослідження особливостей генерації та еволюції вихрової течії води всередині заглиблень на плоскій поверхні у вигляді одиночних V- і Λ-подібних лунок при обтіканні їх під різними кутами. Лунки зазначеної геометрії були сформовані в результаті спряження двох овальних фрагментів з видовженням 2. Швидкості основного потоку варіювалися в межах U=(0.1 ... 0.5) м/с, що відповідало діапазону чисел Рейнольдса Red=Ud/ν=(4...20) x103, розрахованих за діаметром заокруглення лунки. Візуалізація проводилася за допомогою спеціально підібраних водорозчинних покриттів і контрастних фарб з нульовою плавучістю, які вводилися в пристінний шар потоку.
В работе представлены данные визуального исследования особенностей генерации и эволюции вихревого течения воды внутри углублений на плоской поверхности в виде одиночных V- и Λ-образных лунок при обтекании их под разными углами. Лунки указанной геометрии были сформированы в результате сопряжения двух овальных фрагментов с удлинением 2. Скорости основного потока варьировались в пределах U=(0.1 ... 0.5) м/с, что соответствовало диапазону чисел Рейнольдса Red=Ud/ν=(4...20) x103, рассчитанных по диаметру закругления лунки. Визуализация проводилась с помощью специально подобранных водорастворимых покрытий и контрастных красок с нулевой плавучестью, которые вводились в пристеночный слой потока.
The paper presents the results of visual study of generation and evolution of the vortex flow inside the holes in the form of single V- and Λ-shaped grooves on a flat surface streamlined with a flow at different angles. The mentioned holes were obtained as a result of mating two oval fragments with an elongation of 2. The primary flow velocities varied within U=(0.1 ... 0.5) m/s that corresponds to the interval Red=Ud/ν=(4...20) x103 for the Reynolds numbers calculated by the diameter of the groove. The visualization was performed using the specially developed water-soluble coatings and contrasting colors with zero buoyancy that were injected to the wall flow layer.
|
| issn |
2616-6135 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174294 |
| citation_txt |
Вихровий рух усередині лунки складної геометрії / В.А. Воскобійник, А.В. Воскобійник, О.А. Воскобойник, В.М. Степанович, І.А. Хижа // Гідродинаміка і акустика. — 2018. — Т. 1, № 3. — С. 284-301. — Бібліогр.: 28 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT voskobíinikva vihroviiruhuseredinílunkiskladnoígeometríí AT voskobíinikav vihroviiruhuseredinílunkiskladnoígeometríí AT voskoboinikoa vihroviiruhuseredinílunkiskladnoígeometríí AT stepanovičvm vihroviiruhuseredinílunkiskladnoígeometríí AT hižaía vihroviiruhuseredinílunkiskladnoígeometríí AT voskobíinikva vihrevoedviženievnutrilunkisložnoigeometrii AT voskobíinikav vihrevoedviženievnutrilunkisložnoigeometrii AT voskoboinikoa vihrevoedviženievnutrilunkisložnoigeometrii AT stepanovičvm vihrevoedviženievnutrilunkisložnoigeometrii AT hižaía vihrevoedviženievnutrilunkisložnoigeometrii AT voskobíinikva vortexmotioninsidetheholeofacomplexgeometry AT voskobíinikav vortexmotioninsidetheholeofacomplexgeometry AT voskoboinikoa vortexmotioninsidetheholeofacomplexgeometry AT stepanovičvm vortexmotioninsidetheholeofacomplexgeometry AT hižaía vortexmotioninsidetheholeofacomplexgeometry |
| first_indexed |
2025-11-26T02:22:04Z |
| last_indexed |
2025-11-26T02:22:04Z |
| _version_ |
1850608341189918720 |
| fulltext |
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
УДК 532.517
ВИХРОВИЙ РУХ УСЕРЕДИНI ЛУНКИ
СКЛАДНОЇ ГЕОМЕТРIЇ
В. А. Воскобiйник†, А. В. Воскобiйник, О. А. Воскобойник,
В. М. Степанович, I. А. Хижа
Iнститут гiдромеханiки НАН України
вул. Желябова, 8/4, 03057, Київ, Україна
†E-mail: vlad.vsk@gmail.com
Отримано 04.11.2016
У роботi представленi данi вiзуального дослiдження особливостей генерацiї та
еволюцiї вихрової течiї води всерединi заглиблень на плоскiй поверхнi у вигля-
дi одиночних V- i Λ-подiбних лунок при обтiканнi їх пiд рiзними кутами. Лун-
ки зазначеної геометрiї були сформованi в результатi спряження двох овальних
фрагментiв з видовженням 2. Швидкостi основного потоку варiювалися в межах
𝑈 = (0.1 . . . 0.5) м/с, що вiдповiдало дiапазону чисел Рейнольдса Re𝑑 = 𝑈𝑑/𝜈 =
(4 . . . 20) · 103, розрахованих за дiаметром заокруглення лунки. Вiзуалiзацiя про-
водилася за допомогою спецiально пiдiбраних водорозчинних покриттiв i контра-
стних фарб з нульовою плавучiстю, якi вводилися в пристiнний шар потоку. В
умовах ламiнарної течiї усерединi заглиблень складної геометрiї генерацiя вихро-
вих структур не спостерiгалась. Для перехiдного й турбулентного режимiв течiї
усерединi V-подiбної лунки формувалися пiдковоподiбнi вихровi структури, якi зi
збiльшенням швидкостi зменшувалися за розмiрами й притискалися до вiдривної
стiнки лунки. Водночас у серединному перерiзi такої лунки спостерiгалися перi-
одичнi викиди пелени дрiбномасштабних вихорiв. Усерединi Λ-подiбної лунки ге-
нерувалися спiралеподiбнi вихровi структури, якi, перiодично викидаючись i пе-
ремiщуючись у слiдi за лункою, формували пари поздовжнiх вихорiв iз взаємно
протилежними напрямками обертання. При змiнi кута нахилу V- i Λ-подiбних лу-
нок у площинi пластини було вiдзначено змiну характеру формування й викиду
вихрових структур. Для ламiнарної течiї число Струхаля викидiв потенцiйної рi-
дини знаходилось у межах вiд 0.05 до 0.14. В умовах перехiдної й турбулентної
течiй значення числа Струхаля викидiв вихрових рiзномасштабних структур i ви-
хрової пелени зростало з 0.15 до 0.5.
КЛЮЧОВI СЛОВА: заглиблення, вiзуалiзацiя течiї, когерентна вихрова структу-
ра, вихрова пелена, викид, число Рейнольдса, число Струхаля
284
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
1. ВСТУП
Важливий чинник, який визначає ефективнiсть руху тiл при заданiй швидкостi —
мiнiмiзацiя енергетичних втрат, пов’язаних опором тертя i форми за рахунок керуван-
ня течiєю або примежовим шаром. У багатьох гiдротехнiчних спорудах i конструкцiях
наявнi рiзноманiтнi неоднорiдностi обтiчної поверхнi у виглядi заглиблень. За вiдповiд-
них умов обтiкання таких заглиблень усерединi них утворюються когерентнi вихровi
системи, якi генерують iнтенсивнi пульсацiї швидкостi, тиску, температури, завихре-
ностi й iнших параметрiв турбулентностi. Згадане явище широко використовується як
засiб керування примежовим шаром. У залежностi вiд режиму обтiкання, геометри-
чних параметрiв i форми заглиблення, усерединi них виникають вихровi структури,
яким притаманнi рiзнi масштаби, напрямки руху, частоти обертання й осциляцiй у про-
сторi i в часi. Цi вихровi структури, взаємодiючи мiж собою та обтiчною поверхнею,
за певних умов викидаються з заглиблення назовнi, змiнюючи структуру примежово-
го шару й iнтегральнi характеристики процесiв обтiкання, теплообмiну та змiшування,
якiсть аеродинамiчних профiлiв i т. iн. [11–33].
У другiй половинi минулого сторiччя розпочалося системне вивчення вихрових стру-
ктур, якi формуються пiд час обтiкання заглиблень на криволiнiйнiй або плоскiй по-
верхнi [22, 44, 55]. Результати експериментальних аеродинамiчних i теплофiзичних дослi-
джень показали досить високу ефективнiсть деяких рельєфiв заглиблень, якi забезпе-
чували збiльшення тепло- i масопереносу при незначному зростаннi гiдродинамiчних
втрат. У роботах [55, 66] було вiдзначено, що сферичнi заглиблення на плоскiй поверхнi
за теплогiдравлiчною ефективнiстю не є найкращими для турбулентного режиму обтi-
кання теплоносiя, а у ламiнарному режимi їх використання практично не виправдане.
Розрахунки показали, що вiдносне тепловiдведення вiд околiв сферичних лунок сут-
тєво нижче, нiж у випадку овальних заглиблень. Перевагу овальних лунок визначає
здатнiсть створювати вихровi структури з iнтенсивною вторинною течiєю, яка забез-
печує їм конкурентоспроможнiсть пiд час ламiнарного режиму обтiкання. Iснування
бiфуркацiї вихрової картини у випадку сферичної форми лунки суттєво зменшує те-
пловiдведення лункового рельєфу. Це слiд враховувати при проектуваннi енергозберi-
гаючих систем, у яких лунковi поверхнi використовуються як один iз методiв керування
пристiнними потоками. У роботi [77] показано, що розташованi на стiнцi вузького мiкро-
каналу овальнi лунки, на вiдмiну вiд сферичних заглиблень, здатнi iнтенсифiкувати
теплообмiн, збiльшуючи тепловiддачу приблизно на 10 %. За рахунок зниження гiдрав-
лiчних втрат теплогiдравлiчна ефективнiсть лункової поверхнi зростає ще бiльше — до
13%.
Протягом останнiх рокiв багато дослiджень було присвячено визначенню оптималь-
ної конфiгурацiї лункової поверхнi. Так, у роботi [88] проведено чисельне моделювання
задля визначення особливостей теплопереносу на лункових поверхнях семи рiзних кон-
фiгурацiй. Визначено, що бiльш високi теплофiзична ефективнiсть i вихрова iнтенсив-
нiсть спостерiгаються на нахилених цилiндричних лунках. У роботi [99] експерименталь-
но дослiджувалось перенесення тепла у прямокутному каналi з видовженням 3:1, у яко-
му зроблено V-подiбнi лунки (Рис. 1Рис. 1). Як результат показано, що лунки запропонованої
форми за визначених умов обтiкання виявились ефективнiшими, нiж традицiйнi висту-
пи або сферичнi лунки. Для малих чисел Рейнольдса, розрахованих за еквiвалентним
285
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
дiаметром каналу та середньовитратною швидкiстю потоку, коефiцiєнти теплоперене-
сення й тертя для V-подiбних i сферичних лунок демонструють схожу поведiнку. Але
при числах Рейнольдса понад 30000 вториннi течiї, якi виникають усерединi V-подiбних
заглиблень, призводять до пiдвищення теплоперенесення на такiй лунковiй поверхнi за
умови незначного зростання опору тиску.
Необхiднiсть практичного ви-
Рис. 1. Розташування системи V-подiбних лунок
на обтiчнiй плоскiй поверхнi прямокутного каналу
користання лункових рельєфiв
на обтiчнiй поверхнi з метою ке-
рування примежовим шаром з
метою реалiзацiї енергозберiгаю-
чих технологiй у багатьох галу-
зях науки i технiки диктує ви-
вчення механiзмiв вихроутворе-
ння всерединi обтiчних загли-
блень i виявлення їхнiх гiдроди-
намiчних особливостей. Як пока-
зують останнi науковi дослiдже-
ння [1010–1313], створення генерато-
рiв вихорiв, якi б мали мiнiмаль-
ний гiдродинамiчний опiр i гене-
рували штучнi вихровi системи з
заданими кiнематичними i дина-
мiчними параметрами, можливе за умови використання овальних лунок помiрної гли-
бини. У зв’язку з цим за мету було поставлено на прикладi пари овальних лунок експе-
риментально дослiдити механiзми й закономiрностi формування та еволюцiї вихрових
структур у заглибленнях складної форми, визначити їхню взаємодiю мiж собою i з
примежовим шаром.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧI ТА ПРОГРАМА ДОСЛIДЖЕНЬ
Генерацiя вихрових структур з керованими геометричними, кiнематичними i дина-
мiчними характеристиками є актуальною проблемою в теорiї та практицi керування
примежовими шарами й вiдривними течiями за допомогою активних i пасивних мето-
дiв. Формування лунковими генераторами вихорiв стiйких вихрових систем, якi взає-
модiють мiж собою та з вихровими структурами у зсувних течiях, — багатофакторний
процес, вивчення якого вимагає проведення кропiтких i трудомiстких чисельних та екс-
периментальних науково-дослiдних робiт. Особливостi вихроутворення усерединi лунки
у виглядi латинської лiтери V або грецької лiтери Λ, розташованої пiд рiзними кутами
до напрямку потоку на гiдравлiчно гладкiй плоскiй поверхнi, дослiджувались за допо-
могою вiзуалiзацiї течiї. Нанесення на поверхню водорозчинних покриттiв або уведення
в потiк рiзноколiрних барвникiв дозволяло спостерiгати мiсця формування вихрово-
го руху усерединi заглиблень, оцiнювати масштаби вихрових структур, їхню форму й
напрямок руху, а також мiсця й частоти викидiв, спостерiгати взаємодiю останнiх iз
вихровими структурами примежового шару. У результатi аналiзу експериментальних
даних визначено вплив орiєнтацiї лунки складної геометрiї на просторово-часовi хара-
286
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
ктеристики когерентних вихрових структур, якi зароджувалися всерединi лунки пiд
дiєю набiгаючого потоку та вiдривної течiї, що утворювалася над отвором лунки.
3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ СТЕНД I МЕТОДИКА
Експерименти було проведено в гiдродинамiчному лотку з вiдкритою поверхнею во-
ди, який мав довжину 16 м, ширину 1 м i глибину 0.4 м. На вiдстанi близько 8 м вiд
вхiдної частини лотку розташовувалась вимiрювальна дiлянка, обладнана контрольно-
вимiрювальною апаратурою й засобами вiзуалiзацiї i реєстрацiї характеристик потоку,
координатними пристроями, освiтлювальною апаратурою та iншими допомiжними iн-
струментами, необхiдними для проведення дослiджень. Конструкцiя й устаткування
гiдродинамiчного лотка дозволили в широких межах регулювати швидкiсть i глибину
потоку. Наявнiсть рiзноманiтних добре обтiчних координатних елементiв i ножiв дала
можливiсть з необхiдною точнiстю (вiдповiдно до розрахункових значень) встановлю-
вати дослiджуванi моделi, вимiрювальнi прилади й iнструменти. Виготовленi з товсто-
го протиударного скла прозорi стiнки гiдродинамiчного лотка забезпечили проведення
якiсних вiзуальних дослiджень.
Гiдравлiчно гладку пластину, виготовлену з полiрованого органiчного скла 0.01 м
завтовшки, 0.5 м завширшки i 2 м завдовжки було загострено з фронтального й кор-
мового кiнцiв для забезпечення безвiдривного її обтiкання. До бiчних сторiн пластини
крiпилися кiнцевi шайби з органiчного скла товщиною 0.005 м i шириною 0.2 м. На
вiдстанi 𝑋 = 0.8 м вiд фронтального краю пластини знаходився отвiр, у якому роби-
лося заглиблення складної форми у виглядi трьох сферичних лунок, об’єднаних ци-
лiндричними вставками (Рис. 2Рис. 2). До нижньої частини пластини в мiсцi розташування
овального заглиблення крiпився аркуш з масштабною сiткою та обтiчник iз пiнопла-
сту (Рис. 3Рис. 3). Конструкцiя моделi дозволяла обертати заглиблення навколо своєї осi в
площинi пластини на довiльний кут.
При проведеннi вiзуалiзацiї течiї в якостi змивного контрастного покриття застосову-
валося згущене молоко (його густина у 1.3 вища за густину води), попередньо змiшане з
бiлою або чорною сажею для надання розчину нейтральної плавучостi й нанесене на по-
верхню пластини. Картини розмиву покриття та його темп дали можливiсть зафiксува-
ти зони пiдвищених дотичних напружень, областi дiї вихрових систем, якi викидались iз
лунки, оцiнити частоти викидiв, напрями переносу та обертання [1414–1616]. Реєстрацiя руху
частинок сажi, якi змивалися з обтiчної поверхнi, дала можливiсть оцiнити швидкостi
й траєкторiю руху дослiджуваних вихрових структур. Вiзуалiзацiю було проведено для
швидкостi потоку 𝑈 = (0.1 . . . 0.5) м/с, чисел Рейнольдса Re𝑋 = 𝑈𝑋/𝜈 = (0.8 . . . 4) ·105 i
Re𝑑 = 𝑈𝑑/𝜈 = (0.4 . . . 2) · 104, розрахованих за вiдстанню вiд початку пластини до мiсця
розташування лунок та за дiаметром лунок вiдповiдно (𝜈 — кiнематичний коефiцiєнт
в’язкостi). Барвники й мiченi частинки з густиною, близькою до густини води, через
трубки малого дiаметру вводились у примежовий шар перед заглибленням та/або все-
редину заглиблення (Рис. 4Рис. 4). Використання вiдео- та фотоапаратури дало можливiсть
реєструвати картини течiї, якi у подальшому оброблялись i аналiзувались за допомо-
гою графiчних станцiй на базi персональних комп’ютерiв з використанням штатного i
спецiально розробленого програмного забезпечення [1717–1919].
287
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
а б в г
Рис. 2. Розташування заглиблення складної форми вiдносно напрямку основного потоку:
а — V-подiбне, б — Λ-подiбне, в — V-подiбне пiд кутом 60∘, г — V-подiбне пiд кутом 75∘
Рис. 3. Розташування пластини з лункою складної геометрiї в гiдродинамiчному лотку:
1 — лоток, 2 — пластина, 3 — рiвень води, 4 — обтiчник, 5 — заглиблення, 6 — координатна сiтка
Рис. 4. Вiзуалiзацiя вихрової течiї водорозчинним покриттям
i подачею кольорового барвника
288
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
4. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛIДЖЕНЬ
Аналiз результатiв попереднiх дослiджень [2020–2222] дозволив визначити оптималь-
нi параметри асиметричної овальної лунки з точки зору найбiльшої теплогiдравлiчної
ефективностi, а також формування стiйких вихрових структур в її слiдi. Так, в експери-
ментах довжина цилiндричної вставки дорiвнювала дiаметру сферичного сегмента при
кутi розташування лунки 60∘ вiдносно напряму потоку [2323–2525]. Однак при наявностi
такої лунки формувалась моновихрова структура у слiдi за нею, а стiйкою може бу-
ти тiльки пара вихрових структур приблизно однакової iнтенсивностi з протилежними
напрямками обертання. Виходячи з цього, з метою формування бiльш стiйких вихро-
вих структур було дослiджено розташованi пiд заданими кутами заглиблення складної
форми, якi можуть генерувати пару вихрових структур з описаними вище властивостя-
ми [2626–2828].
Так, для швидкостей течiї 0.1, 0.25 i 0.5 м/с було дослiджено конфiгурацiю заглибле-
ння, обидвi частини якого розташованi пiд кутами 60 градусiв вiдносно поздовжньої осi
пластини у виглядi лiтери V (див. Рис. 2Рис. 2а). Як показано на Рис. 5Рис. 5а, для швидкостi об-
тiкання 0.1 м/с (Re𝑋 = 8 ·104 i Re𝑑 = 4 ·103) водорозчинне покриття заходило всередину
заглиблення вздовж усього переднього за потоком його краю. Пiд час подачi контра-
стного барвника в логарифмiчну та зовнiшню областi примежового шару заходу його
в лунку не спостерiгалося (Рис. 4Рис. 4). Усерединi лунки контрастна речовина, яка зайшла
з пристiнної областi примежового шару, не здiйснювала обертового чи циркуляцiйного
руху, а заповнювала собою майже усе заглиблення, повiльно коливаючись. Перiоди-
чно викиди пiдфарбованої рiдини вiдбувалися з обох кормових бокiв лунки з частотою
𝑓 = 0.23 Гц (St = 𝑓𝑑/𝑈 = 0.09, де 𝑑=0.04 м), але не синхронно (див. Рис. 5Рис. 5а). Пiд
час викиду пiдфарбована рiдина робила синусоподiбнi коливання й пересувалася у слiд
лунки. Коливання пiдфарбованої рiдини з середньою частотою 𝑓 = 0.12 Гц (St = 0.05)
спостерiгалось на вiдстанi 𝑧 = (0.6 . . . 0.7)𝑑 вiд осi лунки. Зона викидiв розташовува-
лась на промiжку (0.3𝑑 < 𝑧 < 𝑑) в обох напрямках вiд поздовжньої осi пластини. Вплив
заглиблення на структуру примежового шару для цього режиму течiї фiксувався на
вiддаленнi до (7 . . . 9) дiаметрiв лунки.
Зi збiльшенням швидкостi до 0.25 м/с (Re𝑋 = 2 ·105 i Re𝑑 = 104) усерединi заглибле-
ння формувалися двi веретеноподiбнi вихровi системи, якi знаходились його у лiвiй та
правiй половинах. Вони оберталися в одному напрямку у площинi 𝑋𝑂𝑌 , а їхнi верхнi
частини рухалися за потоком. В серединнiй (осьовiй) частинi лунки цi вихровi структу-
ри об’єднувались, утворюючи пiдковоподiбну вихрову систему з джерелами у кормо-
вих сферичних частинах лунки. Серединна частина цiєї вихрової системи, досягаючи
розмiрiв лунки, зносилася потоком у виглядi вихрової пелени, яка утворювалась дрi-
бномасштабними вихровими структурами зсувного шару й верхiвками пiдковоподiбної
вихрової системи. Викиди описаних вихрових структур вiдбувались поблизу поздов-
жньої осi пластини у переднiй за потоком частинi заглиблення з частотою 𝑓 = 2.09 Гц
(St = 0.33) у промiжку |𝑧| < 0.2𝑑 вiдносно поздовжньої осi пластини (див. Рис. 5Рис. 5б). Усе-
рединi лунки поблизу осi пластини пiдковоподiбна вихрова система мала поперечний
масштаб близько 0.8𝑑, а з вiддаленням вiд осi вiн монотонно зменшувався до 0.25𝑑 на
вiдстанi 0.5𝑑 вiд бiчних країв лунки. У промiжках −𝑑 < 𝑧 < −0.5𝑑 i 0.5𝑑 < 𝑧 < 𝑑 (кор-
мовi частини V-подiбної лунки) формування когерентних вихрових структур не спосте-
289
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
а б
в
Рис. 5. Вихровi структури всерединi V-подiбної лунки для рiзних чисел Рейнольдса:
а — Re𝑑 = 4000, б — Re𝑑 = 10000, в — Re𝑑 = 20000
рiгалось. Слiд вихрової пелени поширювався за лункою до вiдстанi близько (9 . . . 11) ї ї
дiаметрiв.
Для швидкостi обтiкання 0.5 м/с (Re𝑋 = 4 · 105 i Re𝑑 = 2 · 104) зафiксовано обер-
тання рiдини з барвником у площинi 𝑋𝑂𝑌 поблизу поздовжньої осi пластини. Усере-
динi заглиблення пiдковоподiбнi вихровi структури займали тiльки четверту частину
усього об’єму лунки, тому що вони були притиснутi до вiдривної стiнки лунки шаром
змiшування, який взаємодiяв iз кормовою стiнкою майже вiдразу за осьовим перерi-
зом заглиблення (див. Рис. 5Рис. 5в). Бiльша частина контрастного покриття, вiдiрвавшись
вiд переднього краю заглиблення, одразу виносилося потоком iз лунки, практично не
перемiщуючись на її дно. Кiлькiсних параметрiв вихрової течiї для такої швидкостi
обтiкання пластини з заглибленням встановити не вдалось, але викиди контрастного
покриття фiксувались як в околi поздовжньої осi лунки, так i поблизу її бiчних країв.
Пiсля розвертання V-подiбної лунки на 180∘ у площинi пластини було отримано iн-
шу конфiгурацiю заглиблення — у виглядi грецької лiтери Λ (див. Рис. 2Рис. 2б). Для неї
дослiди також проводилися для швидкостей обтiкання 0.1, 0.25 i 0.5 м/с. При швид-
290
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
а б
Рис. 6. Вихровi структури всерединi Λ-подiбної лунки для рiзних чисел Рейнольдса:
а — Re𝑑 = 4000, б — Re𝑑 = 10000
костi обтiкання 0.1 м/с контрастне покриття заходило всередину заглиблення вздовж
усього його переднього за потоком краю перпендикулярно поперечному перерiзу кожної
з частин заглиблення, лiвої та правої (див. Рис. 6Рис. 6а). Викиди контрастного покриття вiд-
бувались перiодично в околi поздовжньої осi симетрiї пластини з частотою 𝑓 = 0.22 Гц
(St = 0.09). Усерединi лунки обертального чи циркуляцiйного руху контрастної речови-
ни не спостерiгалось, вона заповнювала все заглиблення й рухалася поблизу кормової
стiнки вiд бокових країв лунки до поздовжньої осi пластини. Пiсля викиду контра-
стне покриття, коливаючись у просторi й пересуваючись уздовж серединного перерiзу
лунки, поступово та повiльно скручувалось у джгут у слiдi за нею. Зона викиду розта-
шовувалась на промiжку |𝑧| < 0.1𝑑 вiд поздовжньої осi пластини, а сама структура, яка
вийшла з лунки, зберiгала свою iдентичнiсть на вiдстанi до (9 . . . 11) дiаметрiв лунки за
заглибленням.
Пiд час обтiкання пластини з лункою зi швидкiстю 0.25 м/с картина суттєво змi-
нилась. Тепер контрастне покриття концентруывлося в обох бiчних областях заглибле-
ння — у промiжках −1.4𝑑 < 𝑧 < −0.6𝑑) i 0.6𝑑 < 𝑧 < 1.4𝑑 вiдносно поздовжньої осi
пластини (див. Рис. 6Рис. 6б). Тут вiдбувалися викиди спiралеподiбних вихрових структур iз
лiвого та правого бокiв заглиблення у промiжках −1.2𝑑 < 𝑧 < −0.8𝑑 i 0.8𝑑 < 𝑧 < 1.2𝑑
вiдносно поздовжньої осi пластини з частотою 𝑓 = 3.3 Гц (St = 0.53). Викиди з обох
частин лунки вiдбувалися майже синхронно. У самiй лунцi обидва вихори оберталися
у площинi 𝑋𝑂𝑍, у протилежних напрямках. Якщо дивитись проти напрямку потоку,
вихор у лiвiй частинi лунки обертався проти годинникової стрiлки, а у правiй — за
нею (див. Рис. 6Рис. 6б). У слiдi за лункою спiралеподiбнi вихори утворювали пару поздов-
жнiх вихорiв з протилежними напрямками обертання, якi розташовувались на вiдстанi
(1.2 . . . 1.5)𝑑 один вiд одного. Вплив вихрових систем, якi викидались назовнi з заглибле-
ння, на структуру примежового шару реєструвався на вiддаленнi до (8 . . . 9) дiаметрiв
лунки.
Для швидкостi обтiкання 0.5 м/с контрастне покриття усерединi лунки, яке пока-
зувало застiйнi областi у нiй, концентрувалося переважно в околi бiчних країв загли-
блення, де спостерiгались неiнтенсивнi викиди спiралеподiбних вихрових структур з
частотами 𝑓 ≈ 4 Гц (St ≈ 0.32). Згаданi вихровi структури також утворювали у слiдi
291
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
а б
Рис. 7. Вихровi структури всерединi розташованої пiд кутом 60∘
лунки складної геометрiї для чисел рiзних Рейнольдса:
а — Re𝑑 = 4000, б — Re𝑑 = 10000
лунки пару вихорiв з протилежними напрямками обертання, якi розташовувались на
вiдстанi приблизно 1.5𝑑 один вiд одного.
Вiзуальнi дослiдження особливостей формування й розвитку вихрової течiї всереди-
нi заглиблення складної геометричної форми i його взаємодiї з примежовим шаром над
плоскою пластиною виявили ряд закономiрностей еволюцiї течiї в лунцi в залежностi
вiд кута розташування заглиблення. У лунках V- та Λ-подiбної форми в рiзних режи-
мах течiї генерувалися пари вихорiв з протилежними напрямками обертання, поодинокi
спiралеподiбнi вихори або вихровi пелени. Для створення стiйкої когерентної вихрової
структури, яка б зберiгала свою iдентичнiсть довгий час, впливаючи на пристiнну те-
чiю за заглибленням, було запропоновано розвернути лунку складної геометрiї вiдносно
напрямку потоку в площинi пластини.
При розташуваннi передньої за потоком частини заглиблення пiд кутом 60∘ i обтiкан-
нi кормової її частини пiд кутом 0∘ (див. Рис. 2Рис. 2в) для швидкостi обтiкання 𝑈=0.1 м/с
(Re𝑋 = 8 · 104) контрастна речовина заходила до середини лунки уздовж передньої
частини лунки в основному вздовж центрального пiвкола i сполученої з ним цилiндри-
чної частини. Вiдривної областi за переднiм краєм заглиблення для цього ламiнарного
режиму течiї не спостерiгалося, а контрастна речовина всерединi лунки не демонстру-
вала обертального або циркуляцiйного руху. Натомiсть вiдзначався її рух у напрямку
поздовжньої осi заглиблення у кормову за потоком частину лунки, де вiдбувались пе-
рiодичнi викиди назовнi з частотою 𝑓 = 0.24 Гц (St = 0.09). Перед викидом поверхня
контрастної рiдини в заглибленнi (на рiвнi площини пластини) здiйснювала осциляцiї
у виглядi хвильового пакету — як правило, (3 . . . 4) бiжучих хвиль, фронт яких був
перпендикулярним до напрямку потоку, а довжина становила майже половину дiаме-
тра заглиблення. Згаданi хвилi переносились зi швидкiстю близько (0.4 . . . 0.5)𝑈 . Ви-
киди спостерiгались за частиною лунки, розташованою пiд кутом 𝛼 = 0∘ на вiдстанi
(−0.25 . . . 1)𝑑 вiд поздовжньої осi пластини (див. Рис. 7Рис. 7а). Викинута рiдина, коливаю-
чись, виносилася здебiльшого до середини товщини примежового шару (але iнодi й до
його верхньої межi) та переносилася паралельно до поздовжньої осi пластини у слiдi
292
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
а б
Рис. 8. Вихровi структури всерединi розташованої пiд кутом 75∘
лунки складної геометрiї для рiзних чисел Рейнольдса:
а — Re𝑑 = 4000, б — Re𝑑 = 10000
кормової частини заглиблення. Слiд контрастної речовини простежувався на вiддален-
нях до (10 . . . 12) дiаметрiв лунки.
При збiльшеннi швидкостi обтiкання до 0.25 м/с спостерiгалось комiрчасте роздiлен-
ня вихрового руху в лунцi на двi частини (див. Рис. 7Рис. 7б). Перша спiралеподiбна вихрова
структура утворювалась у переднiй за потоком сферичнiй частинi лунки з джерелом
майже в її центрi. Вона оберталась за годинниковою стрiлкою вiдносно нормальної
до площини пластини вiсi та викидалась iз частотою 𝑓 = 1.61 Гц (St = 0.26). Iнша
структура, яка мала вигляд великомасштабного викривленого спiралеподiбного вихо-
ру, заповнювала бiльше двох третин площi лунки й рухалася з її передньої частини в
кормову. У цьому випадку джерело знаходилося на днi переднього овального сегменту
лунки (ближче до його кормового сферичного закiнчення), а сама вихрова структура
оберталась у напрямку, протилежному до першої структури, пiднiмаючись над кормо-
вою частиною заглиблення на кут (5 . . . 10)∘. При цьому вона коливалась у просторi та
викидалась iз частотою 𝑓 = 0.95 Гц (St = 0.15), причому викиди спостерiгалися на
вiдстанi (0.1 . . . 1)𝑑 вiд поздовжньої осi пластини за фрагментом дослiджуваної лунки,
розташованим пiд кутом 𝛼 = 0∘. Зауважимо, що для цiєї швидкостi слiд контрастної
речовини простежувався вже тiльки на вiддаленнi до (8 . . . 9) дiаметрiв лунки.
Для заглиблення з передньою частиною, розташованою пiд кутом 75∘, а кормовою —
15∘ вiдносно поздовжньої осi пластини (див. Рис. 2Рис. 2г) при швидкостi обтiкання 0.1 м/с
контрастний барвник заходив усередину вже не тiльки вздовж краю переднього оваль-
ного фрагмента лунки, але й частини її кормового фрагмента (див. Рис. 8Рис. 8а). Усерединi
лунки не вiдзначалось обертального або циркуляцiйного руху, i контрастний барвник
поступово заповнював усе заглиблення. Перiодично розмите покриття викидалося на-
зовнi з обох нахилених частин лунки. Так, iнтенсивнi викиди спостерiгались над пе-
реднiм овальним фрагментом iз частотою 𝑓 = 0.26 (St = 0.12), а над кормовим — iз
частотою 𝑓 = 0.31 Гц (St = 0.14).
Характерний момент викиду контрастного барвника назовнi з передньої частини
лунки для швидкостi потоку 0.1 м/с представлено на Рис. 8Рис. 8а. Як i для попередньо
розглянутої конфiгурацiї лунки (Рис. 7Рис. 7а), викиди спостерiгались на вiдстанi (0 . . . 1)𝑑 вiд
293
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
поздовжньої осi пластини над кормовим овальним фрагментом лунки, але з меншою
iнтенсивнiстю. Пiсля викиду iз кормової частини лунки слiд контрастного барвника
простежувався на вiдстанi близько (8 . . . 10) дiаметрiв лунки.
Аналогiчно до показаної на Рис. 7Рис. 7б картини течiї, пiд час обтiкання зi швидкiстю
0.25 м/с пластини з заглибленням, конфiгурацiя якого вiдповiдає Рис. 2Рис. 2г, також спосте-
рiгалось роздiлення вихрового руху усерединi лунки на двi частини з вихорами iз взаєм-
но протилежними напрямками обертання (див. Рис. 8Рис. 8б). Одна спiралеподiбна вихрова
структура утворювалась у переднiй за потоком сферичнiй частинi лунки, оберталась за
годинниковою стрiлкою й викидалась над кормовою стiнкою передньої сферичної ча-
стини овальної лунки з частотою 𝑓 = 1.89 Гц (St = 0.3). Друга спiралеподiбна структура
з бiльшим масштабом зароджувалась на вiдстанi одного дiаметра вiд переднього краю
лунки й заповнювала усю її кормову частину. Ця вихрова структура, коливаючись, ру-
халась уздовж придонної частини переднього овального фрагмента лунки до кормового
овального фрагмента, розташованого пiд кутом 15∘ до напрямку потоку. Над кормовою
стiнкою лунки за мiсцем спряження двох овальних лунок на вiдстанi (0.2 . . . 1)𝑑 вiд по-
здовжньої осi пластини спостерiгались перiодичнi iнтенсивнi викиди великомасштабної
спiралеподiбної вихрової структури назовнi з пiдйомом її над пластиною на кут до 10∘.
5. ВИСНОВКИ
На пiдставi отриманих експериментальних результатiв щодо особливостей форму-
вання вихрової течiї всерединi лунки складної геометрiї, сформованої з двох овальних
фрагментiв з видовженням 2 i розташованої на плоскiй поверхнi пiд рiзними кутами
вiдносно напрямку потоку, та в її ближньому слiдi можна зробити такi висновки.
1. Встановлено, що для ламiнарного режиму течiї всерединi лунок складної геометрiї
вихрового руху не спостерiгалось. Натомiсть, у лунках вiдбувалося коливальне
перемiщення рiдини, яка перiодично викидалася над їхнiми кормовими частинами.
Слiд викинутої речовини спостерiгався на вiдстанi до десяти дiаметрiв лунки вниз
за потоком.
2. В умовах перехiдного й турбулентного режимiв течiї всерединi дослiджуваних лу-
нок зароджувалися великомасштабнi когерентнi вихровi структури. Для них були
характернi рiзнi мiсця генерацiї, перемiщення вздовж лунок i викиди у примежо-
вий шар, залежно вiд кута розташування лунок на обтiчнiй поверхнi пластини.
3. Визначено, що всерединi лунок генерувалися пари протилежно закручених спi-
ралеподiбних вихрових структур. Пiсля викиду з лунок назовнi вони набували
вигляду пари поздовжнiх вихорiв з протилежними напрямками обертання, якi
взаємодiяли з вихровими структурами примежового шару у слiдi лунок до десяти
їх дiаметрiв. В залежностi вiд розташування лунок складної геометричної форми
на обтiчнiй поверхнi пластини, згаданi пари характеризувалися рiзними вiдстаня-
ми мiж вихорами та рiзними їхнiми iнтенсивностями.
4. Усерединi лунок V-подiбної форми для перехiдного й турбулентного режимiв течiї
спостерiгалась генерацiя пiдковоподiбних вихрових структур, якi зi збiльшенням
294
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
швидкостi зменшувались за масштабом i притискалися до вiдривної стiнки лун-
ки. Викид вихрових структур назовнi у виглядi вихрової пелени вiдбувався над
кормовою стiнкою у серединному перерiзi лунки.
5. Визначено, що число Струхаля для частоти викидiв водорозчинного покриття з
лунок в умовах ламiнарного режиму течiї складало вiд 0.05 до 0.14. Для пере-
хiдної й турбулентної течiй число Струхаля, яке характеризує частоту викидiв
великомасштабних когерентних вихрових структур, зароджених усерединi оваль-
них лунок, дрiбномасштабних вихорiв зсувного шару та вихорiв, якi утворювали
вихрову пелену, зростало вiд 0.15 до майже 0.5.
ЛIТЕРАТУРА
[1] Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным
аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) /
Под ред. А. В. Ермишина, С. А. Исаева. — Москва, Санкт-Петербург, 2001.
[2] Халатов А. А. Теплообмен и гидродинамика около поверхностных углублений (лу-
нок). — Киев : Институт технической теплофизики НАН Украины, 2005.
[3] Vortex formation control by an asymmetry of the streamlined dimple /
V. T. Grinchenko, G. A. Voropayev, S. A. Isaev et al. // Abstracts of VIII Interna-
tional Conference “Problems of Industrial Heat Engineering”. –– Kyiv : Institute of
Engineering Thermophysics of NAS of Ukraine, 2013. –– P. 35–36.
[4] Kiknadze G. I., Gachechiladze I. A., Gorodkov A. Y. Self-organization of tornado-like
jets in flows of gases and liquids and the technologies utilizing this phenomenon // Pro-
ceedings of the ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference HT2009. –– No. HT2009-
88644. –– San Francisco, CA, 2009. –– P. 1–14.
[5] Исаев С. А., Леонтьев А. И., Корнев Н. В. Численное моделирование смерчевого
теплообмена при обтекании поверхностей с лунками (состояние и перспективы) //
VI Минский международный форум по теплообмену, ММФ 2008: Сборник докла-
дов. — Минск, Беларусь, 2008. — С. 1–9.
[6] Управление ламинарным пограничным слоем вихрями, генерируемыми овальной
лункой / В. Т. Гринченко, Г. А. Воропаев, С. А. Исаев и др. // Вiсник Донецького
нацiонального унiверситету. — 2009. — № 1. — С. 191–198.
[7] Drag reduction of lifting surfaces at the use of oval dimples as vortex generators /
S. Isaev, G. Voropaiev, V. Grinchenko et al. // Proceedings of the European Drag
Reduction and Flow Control Meeting “EDRFCM 2010”. –– Kyiv, Ukraine, 2010. –– P. 7–
8.
[8] Najm H. N., Ghoniem A. F. Numerical simulation of the convective instability in a
dump combustor // AIAA Journal. –– 2007. –– Vol. 29, no. 6. –– P. 911–919.
295
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
[9] Jordan C. N., Wright L. M. Heat transfer enhancement in a rectangular (AR=3:1)
channel with V-shaped dimples // Journal of Turbomachinery. –– 2013. –– Vol. 135,
no. 1. –– P. 011028(1–10).
[10] Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации
теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования / Ю. Ф. Гортышов, И. А. По-
пов, В. В. Олимпиев и др. — Казань : Центр инновационных технологий, 2009.
[11] Su B. High-resolution temperature measurement during forced convective heat transfer
at a wall with a dimple structure : Ph. D. thesis / B. Su ; Technische Universität
Darmstadt. –– Darmstadt, Germany, 2015.
[12] Tay C. M. J., Khoo B. C., Chew Y. T. Mechanics of drag reduction by shallow dimples
in channel flow // Physics of Fluids. –– 2015. –– Vol. 27, no. 3. –– P. 035109(1–22).
[13] Voskoboinick V., Kornev N., Turnow J. Study of near wall coherent flow structures
on dimpled surfaces using unsteady pressure measurements // Flow, Turbulence and
Combustion. –– 2013. –– Vol. 90, no. 2. –– P. 86–99.
[14] Воскобiйник В. А., Воскобiйник А. В. Когерентнi вихровi структури в поперечно
обтiчнiй овальнiй лунцi // Наукоємнi технологiї. — 2014. — Т. 23, № 3. — С. 352–358.
[15] Воскобiйник В. А., Воскобiйник А. В. Вихровий рух усерединi пiвсферичної лунки
на плоскiй поверхнi // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 6. — С. 7–
14.
[16] Воскобiйник В. А., Воскобiйник А. В. Структура течiї та пульсацiї тиску усерединi
овальної лунки // Наукоємнi технологiї. — 2012. — Т. 13, № 1. — С. 12–18.
[17] Visualizations of the flow inside an open cavity at medium range Reynolds number /
T. M. Faure, P. Adrianos, F. Lusseyran, L. Pastur // Experiments in Fluids. –– 2007. ––
Vol. 42, no. 2. –– P. 169–184.
[18] Воскобойник В. А., Воскобойник А. А., Воскобойник А. В. Визуализация вихре-
вого течения внутри и вблизи поперечно обтекаемой овальной лунки на плоской
поверхности // Промышленная теплотехника. — 2014. — Т. 36, № 3. — С. 13–21.
[19] Воскобiйник В. А. Вихроутворення усерединi поперечно обтiчної овальної лунки //
Прикладна гiдромеханiка. — 2012. — Т. 14(86), № 4. — С. 37–46.
[20] Vortex mechanism of heat transfer enhancement in a channel with spherical and oval
dimples / J. Turnow, N. Kornev, S. Isaev, E. Hassel // Heat and Mass Transfer. ––
2011. –– Vol. 47, no. 3. –– P. 301–313.
[21] Fluid mechanics and heat transfer in a channel with spherical and oval dimples / N. Ko-
rnev, J. Turnow, E. Hassel et al. // Turbulence and Interactions. –– Berlin, Heidelberg :
Springer, 2010. –– Vol. NNFM 110 of Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multi-
disciplinary Design. –– P. 231–237.
296
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
[22] Воскобiйник В. А. Просторово-часовi характеристики когерентних структур, по-
лiв швидкостi та тиску у лункових генераторах вихорiв: Автореферат дисертацiї
. . . доктора технiчних наук. — Київ : Iнститут гiдромеханiки НАН України, 2013.
[23] Визуализация ламинарного обтекания овального углубления / Г. А. Воропаев,
А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник, С. А. Исаев // Прикладна гiдромеханiка. —
2009. — Т. 11(83), № 4. — С. 31–46.
[24] Flow structures and heat transfer on dimples in a staggered arrangement / J. Turnow,
N. Kornev, V. Zhdanov, E. Hassel // International Journal of Heat and Fluid Flow. ––
2012. –– Vol. 35. –– P. 168–175.
[25] Управление пограничным слоем луночным рельефом на обтекаемой поверхности /
В. Т. Гринченко, С. А. Исаев, Г. А. Воропаев, В. А. Воскобойник // X между-
народная школа-семинар “Модели и методы аэродинамики”. — Москва : МЦНМО,
2010. — С. 51–52.
[26] Воскобiйник В. А., Воскобойник О. А., Воскобiйник А. В. Формування вихрових
структур у системi овальних лунок та генерацiя пульсацiй тиску // Матерiали V
мiжнародної наукової конференцiї “Прикладнi проблеми аерогiдромехiнiки та те-
пломасопереносу”. — Днiпропетровськ : Днiпропетровський нацiональний унiверси-
тет iменi Олеся Гончара, 2014. — С. 65–69.
[27] Voskoboinick V., Voskoboinick A., Stepanovitch V. Generation of vortex structures by
pair oval dimples on flat plate // Proceedings of the European Drag Reduction and
Flow Control Meeting “EDRFCM 2015”. –– Cambridge, UK, 2015. –– P. 43–44.
[28] Generation features of the coherent vortex structures by cavities and bumps on a stream-
lined surface / V. Voskoboinick, A. Artemiev, A. Voskoboinick et al. // Proceedings of
3rd EUMLS Conference “Mathematics for Life Sciences”. –– Rivne, Ukraine, 2015. ––
P. 50.
REFERENCES
[1] A. V. Ermishina and S. A. Isaeva, eds., Control of the flow of bodies with vortex cells
in the application to the flying machines of the integrated configuration (numerical and
physical modeling). 2001.
[2] A. A. Halatov, Heat transfer and hydrodynamics near the surface deepenings (dimples).
Kiev: Institute of Engineering Thermophysics of NAS of Ukraine, 2005.
[3] V. T. Grinchenko, G. A. Voropayev, S. A. Isaev, V. A. Voskoboinick, N. V. Rozumnyuk,
and A. V. Voskoboinick, “Vortex formation control by an asymmetry of the streamlined
dimple,” in Abstracts of VIII International Conference “Problems of Industrial Heat
Engineering” , (Kyiv), pp. 35–36, Institute of Engineering Thermophysics of NAS of
Ukraine, 2013.
297
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
[4] G. I. Kiknadze, I. A. Gachechiladze, and A. Y. Gorodkov, “Self-organization of tornado-
like jets in flows of gases and liquids and the technologies utilizing this phenomenon,” in
Proceedings of the ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference HT2009, no. HT2009-
88644, (San Francisco, CA), pp. 1–14, 2009.
[5] S. A. Isaev, A. I. Leontiev, and N. V. Kornev, “Numerical simulation of tornado heat
transfer in flow past surfaces with holes (state and prospects),” in Proceedings of VI
Minsk International Forum on Heat Transfer, MMF 2008, (Minsk, Belarus), pp. 1–9,
2008.
[6] V. T. Grinchenko, G. A. Voropayev, S. A. Isaev, V. A. Voskoboinick, A. A. Voskoboinick,
and A. V. Voskoboinick, “Controlling the laminar boundary layer by vortices generated
by an oval dimple,” Vìsnik Donec’kogo Unìversitetu, no. 1, pp. 191–198, 2009.
[7] S. Isaev, G. Voropaiev, V. Grinchenko, A. Sudakov, V. Voskoboinick, and
N. Rozumnyuk, “Drag reduction of lifting surfaces at the use of oval dimples as vortex
generators,” in Proceedings of the European Drag Reduction and Flow Control Meeting
“EDRFCM 2010” , (Kyiv, Ukraine), pp. 7–8, 2010.
[8] H. N. Najm and A. F. Ghoniem, “Numerical simulation of the convective instability in
a dump combustor,” AIAA Journal, vol. 29, no. 6, pp. 911–919, 2007.
[9] C. N. Jordan and L. M. Wright, “Heat transfer enhancement in a rectangular
(AR=3:1) channel with V-shaped dimples,” Journal of Turbomachinery, vol. 135, no. 1,
pp. 011028(1–10), 2013.
[10] Y. F. Gortyshov, I. A. Popov, V. V. Olimpiev, A. V. Shchelchkov, and S. I. Kas’kov,
Thermohydraulic efficiency of promising methods of intensification of heat transfer in
the channels of heat-exchange equipment. Kazan, Russian Federation: Center of the
Innovation Technologies, 2009.
[11] B. Su, High-resolution temperature measurement during forced convective heat transfer
at a wall with a dimple structure. PhD thesis, Technische Universität Darmstadt,
Darmstadt, Germany, 2015.
[12] C. M. J. Tay, B. C. Khoo, and Y. T. Chew, “Mechanics of drag reduction by shallow
dimples in channel flow,” Physics of Fluids, vol. 27, no. 3, pp. 035109(1–22), 2015.
[13] V. Voskoboinick, N. Kornev, and J. Turnow, “Study of near wall coherent flow structures
on dimpled surfaces using unsteady pressure measurements,” Flow, Turbulence and
Combustion, vol. 90, no. 2, pp. 86–99, 2013.
[14] V. A. Voskoboinick and A. V. Voskoboinick, “Coherent vortex structures in a
transversely streamlined oval dimple,” Science-Based Technologies, vol. 23, no. 3,
pp. 352–358, 2014.
[15] V. A. Voskoboinick and A. V. Voskoboinick, “Vortex motion inside the hemispherical
dimple on a flat surface,” Industrial Heat Engineering, vol. 34, no. 6, pp. 7–14, 2012.
298
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
[16] V. A. Voskoboinick and A. V. Voskoboinick, “A structure of the flow and pressure
fluctuations inside the oval dimple,” Science-Based Technologies, vol. 13, no. 1, pp. 12–
18, 2012.
[17] T. M. Faure, P. Adrianos, F. Lusseyran, and L. Pastur, “Visualizations of the flow inside
an open cavity at medium range Reynolds number,” Experiments in Fluids, vol. 42, no. 2,
pp. 169–184, 2007.
[18] V. A. Voskoboinick, A. A. Voskoboinick, and A. V. Voskoboinick, “Visualization of the
vortex flow inside and near a transversely streamlined oval dimple on a flat surface,”
Industrial Heat Engineering, vol. 36, no. 3, pp. 13–21, 2014.
[19] V. A. Voskoboinick, “Vortex formation inside cross-streamlined oval dimple,” Applied
Hydromechanics, vol. 14(86), no. 4, pp. 37–46, 2012.
[20] J. Turnow, N. Kornev, S. Isaev, and E. Hassel, “Vortex mechanism of heat transfer
enhancement in a channel with spherical and oval dimples,” Heat and Mass Transfer,
vol. 47, no. 3, pp. 301–313, 2011.
[21] N. Kornev, J. Turnow, E. Hassel, S. Isaev, and F.-H. Wurm, “Fluid mechanics and heat
transfer in a channel with spherical and oval dimples,” in Turbulence and Interactions,
vol. NNFM 110 of Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design,
pp. 231–237, Berlin, Heidelberg: Springer, 2010.
[22] V. A. Voskoboinick, The spatial-time characteristics of coherent structures, velocity
and pressure fields in dimple vortex generators: Abstract of Dissertation . . . Doctor of
Technical Sciences. Kyiv: Institute of Hydromechanics of NAS of Ukraine, 2013.
[23] G. A. Voropaev, A. V. Voskoboinick, V. A. Voskoboinick, and S. A. Isaev, “Laminar flow
visualization over oval dimple,” Applied Hydromechanics, vol. 11(83), no. 4, pp. 31–46,
2009.
[24] J. Turnow, N. Kornev, V. Zhdanov, and E. Hassel, “Flow structures and heat transfer
on dimples in a staggered arrangement,” International Journal of Heat and Fluid Flow,
vol. 35, pp. 168–175, 2012.
[25] V. T. Grinchenko, G. A. Voropayev, S. A. Isaev, and V. A. Voskoboinick, “Control of
the boundary layer by a dimple relief on a streamlined surface,” in Proceedings of X
International Workshop “Models and Methods in Aerodynamics”, (Moscow), pp. 51–52,
MCNMO, 2010.
[26] V. A. Voskoboinick, A. A. Voskoboinick, and A. V. Voskoboinick, “Formation of vortex
structures in the system of oval dimples and generation of pressure fluctuations,” in
Proceedings of V International Conference “Applied Problems of Aerohydromechanics
and Heat-Mass Transfer” , (Dnipropetrovsk), pp. 65–69, Oles Honchar Dnipropetrovsk
National University, 2014.
299
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
[27] V. Voskoboinick, A. Voskoboinick, and V. Stepanovitch, “Generation of vortex structures
by pair oval dimples on flat plate,” in Proceedings of the European Drag Reduction and
Flow Control Meeting “EDRFCM 2015”, (Cambridge, UK), pp. 43–44, 2015.
[28] V. Voskoboinick, A. Artemiev, A. Voskoboinick, V. Smoljar, and V. Stepanovitch,
“Generation features of the coherent vortex structures by cavities and bumps on a
streamlined surface,” in Proceedings of 3rd EUMLS Conference “Mathematics for Life
Sciences” , (Rivne, Ukraine), p. 50, 2015.
В. А. Воскобойник, А. В. Воскобойник, А. А. Воскобойник,
В. М. Степанович, И. А. Хижа
Вихревое движение внутри лунки сложной геометрии
В работе представлены данные визуального исследования особенностей генерации
и эволюции вихревого течения воды внутри углублений на плоской поверхности
в виде одиночных V- и Λ-образных лунок при обтекании их под разными углами.
Лунки указанной геометрии были сформированы в результате сопряжения двух
овальных фрагментов с удлинением 2. Скорости основного потока варьировались
в пределах 𝑈 = (0.1 . . . 0.5) м/с, что соответствовало диапазону чисел Рейнольд-
са Re𝑑 = 𝑈𝑑/𝜈 = (0.4 . . . 2) · 104, рассчитанных по диаметру закругления лунки.
Визуализация проводилась с помощью специально подобранных водорастворимых
покрытий и контрастных красок с нулевой плавучестью, которые вводились в при-
стеночный слой потока. В условиях ламинарного течения внутри углублений слож-
ной геометрии генерации вихревых структур не наблюдалось. Для переходного и
турбулентного режимов течения внутри V-образной лунки формировались подко-
вообоазные вихревые структуры, которые при увеличении скорости уменьшались
в размерах и прижимались к отрывной стенке лунки. Одновременно в срединном
сечении такой лунки наблюдались периодические выбросы пелены мелкомасштаб-
ных вихрей. Внутри Λ-образной лунки генерировались спиралевидные вихревые
структуры, которые, периодически выбрасываясь и перемещаясь в следе за лун-
кой, формировали пары продольных вихрей со взаимно противоположными на-
правлениями вращения. При изменении угла наклона V- и Λ-образных лунок в
плоскости пластины было отмечено изменение характера формирования и выброса
вихревых структур. Для ламинарного течения число Струхаля выбросов потенци-
альной жидкости находилось в пределах от 0.05 до 0.14. В условиях переходного
и турбулентного течений значения числа Струхаля выбросов вихревых разномас-
штабных структур и вихревой пелены возрастало с 0.15 до 0.5.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: углубление, визуализация течения, когерентная вихревая
структура, вихревая пелена, выброс, число Рейнольдса, число Струхаля
V. A. Voskoboinick, A. A. Voskoboinick, A. V. Voskoboinick,
V. M. Stepanovich, I. A. Hyzha
Vortex motion inside the hole of a complex geometry
The paper presents the results of visual study of generation and evolution of the vortex
flow inside the holes in the form of single V- and Λ-shaped grooves on a flat surface
streamlined with a flow at different angles. The mentioned holes were obtained as a
result of mating two oval fragments with an elongation of 2. The primary flow velocities
300
ISSN 2616-6135. ГIДРОДИНАМIКА I АКУСТИКА. 2018. Том 1(91), № 3. С. 284284–301301.
varied within 𝑈 = (0.1 . . . 0.5) m/s that corresponds to the interval Re𝑑 = 𝑈𝑑/𝜈 =
(0.4 . . . 2) ·104 for the Reynolds numbers calculated by the diameter of the groove. The
visualization was performed using the specially developed water-soluble coatings and
contrasting colors with zero buoyancy that were injected to the wall flow layer. The
generation of the vortex structures was not observed in the presence of a laminar flow
inside the cavities of complex geometry. For a transitional or turbulent flow inside
the V-shaped hole, the horseshoe vortex structures were formed that decreased in size
and pressed against the separation wall of the groove with the increase of velocity.
Simultaneously, the periodic ejections of the small-scale vortex sheet were observed in
mid cross-section of the groove. The spiral vortex structures generated inside the Λ-
shaped hole were periodically ejected and propagated in the wake of the hole forming
the pairs of counter-rotating vortices. Changes in the process of formation and ejection
of vortex structures were noticed when varying the inclination angle of the V- and Λ-
shaped holes in the plate’s plane. For the laminar flow, the Strouhal number of the
potential fluid ejection was ranged within 0.05 to 0.14. In the conditions of transition
and turbulent flows, the Strouhal number of ejection of the vortex structures and vortex
sheets increased from 0.15 to 0.5.
KEY WORDS: cavity, visualization, coherent vortex structure, vortex sheet, ejection,
the Reynolds number, the Strouhal number
301
ВСТУП
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ ТА ПРОГРАМА ДОСЛІДЖЕНЬ
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ СТЕНД І МЕТОДИКА
РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ
ВИСНОВКИ
|