Визначення структури ламінарної відривної течії у відкритій каверні

Автор(и)

  • Elena Kravets Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара пр. Гагаріна, 72, м. Дніпро, Україна, 49010, Україна https://orcid.org/0000-0002-3428-2232

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.183811

Ключові слова:

відрив потоку, ламінарний режим, течія в каверні, чисельне моделювання, структура вихороутворення

Анотація

Виконано тривимірне чисельне розв’язання тестової задачі про течію в’язкої нестисливої рідини в закритій квадратній каверні з рухомою верхнею гранню. Вказано недоліки математичної постановки задачі про течію рідини в закритій каверні. Методом скінченних елементів проведено чисельне дослідження структури циркуляційного відривного ламінарного руху в’язкої нестисливої рідини у відкритій каверні з урахуванням зовнішньої течії. Наведено профілі завихоровості, товщини пограничного шару, складових компонент швидкості у різних перерізах каверни, в пограничному шарі, а також у шарі змішування.

Зазвичай при дослідженні ламінарних течій в кавернах використовують модель каверни з рухомою стінкою. Але використання задачі за такої постановки накладає обмеження на картину течії у вигляді прямолінійної лінії течії, яка з‘єднує верхні кути каверни, що призводить до невірної структури вихороутворення в каверні у цілому. В рамках даного дослідження запропоновано постановку задачі, яка долає вказаний недолік. Рух рідини в каверні здійснюється за рахунок напруження зсуву зовнішнього потоку в каналі над каверною, що виключає прямолінійність лінії течії, яка з‘єднує кутові точки каверни. Достовірність отриманих результатів підтверджена порівнянням деяких параметрів з відомими експериментальними даними інших авторів. Отриманий науковий результат у вигляді структури вихороутворення в’язкого нестисливого ламінарного потоку у відкритій каверні з каналом є цікавим з теоретичної точки зору. З практичної точки зору виявлена структура течії дозволяє визначити умови керування потоком в каверні, і, отже, дозволяє визначити умови оптимізації аеродинамічних сил, діючих на каверну. Прикладним аспектом використання отриманого наукового результату є можливість застосування його до обтікання об’єктів промисловості: будівель, міжвагонного простору залізничного потяга та ін.

Біографія автора

Elena Kravets, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара пр. Гагаріна, 72, м. Дніпро, Україна, 49010

Кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кафедра аерогідромеханіки та енергомасопереносу

Посилання

  1. Chzhen, P. (1972). Otryvnye techeniya. Vol. 1. Moscow: Mir, 299.
  2. Krasnov, N. F., Koshevoy, V. N., Kalugin, V. P. (1988). Aerodinamika otryvnyh techeniy. Moscow: Vysshaya shkola, 351.
  3. Shlihting, G. (1969). Teoriya pogranichnogo sloya. Moscow: Nauka, 744.
  4. Simuni, L. M. (1965). Chislennoe reshenie zadachi dvizheniya zhidkosti v pryamougol'noy yame. PMTF, 6, 106–108.
  5. Charwat, A. F., Dewey, C. F., Roos, J. N., Hitz, J. A. (1961). An Investigation of Separated Flows- Part I I : Flow in the Cavity and Heat Transfer. Journal of the Aerospace Sciences, 28 (7), 513–527. doi: https://doi.org/10.2514/8.9099
  6. Kravets, E. V. (2005). Matematicheskoe modelirovanie turbulentnyh techeniy vyazkoy neszhimaemoy sredy v mezhvagonnom prostranstve s kryshnym obtekatelem. Visnyk DNU. Seriya: Mekhanika, 1 (10), 66–73.
  7. Kochubey, A. A., Kravets, E. V. (2012). Sravnitel'nyy analiz chislennyh i analiticheskih issledovaniy tsirkulyatsionnyh dvumernyh techeniy v kavernah. Tehnicheskaya mehanika, 1, 38–55.
  8. Kochubey, A. A., Kravets, E. V. (2013). Analiz eksperimental'nyh i chislennyh issledovaniy vihrevyh techeniy v trehmernyh kavernah. Visnyk Dnipropetrovskoho universytetu. Seriya: Mekhanika, 21 (17 (1)), 51–63.
  9. Terehov, V. I., Kalinina, S. V. (2002). Struktura techeniya i teploobmen pri obtekanii edinichnoy sfericheskoy kaverny. Sostoyanie voprosa i problemy (obzor). Teplofizika i aeromehanika, 4, 497–520.
  10. Terekhov, V. I., Kalinina, S. V., Mshvidobadze, Yu. M. (1994). Heat transfer from a spherical cavity located on a rectangular channel wall. Teplofizika vysokih temperatur, 32 (2), 249–254.
  11. Mironov, D. S. (2011). Eksperimental'noe issledovanie pul'satsiy davleniya, generiruemyh melkoy otkrytoy kavernoy, s primeneniem chastotno-vremennyh metodov obrabotki dannyh. Teplofizika i aeromehanika, 18 (3), 385–395.
  12. Terekhov, V. I., Kalinina, S. V., Sharov, K. A. (2012). Features of flow and heat transfer for the jet interaction with a spherical cavity-shaped obstacle with a round edge. High Temperature, 50 (2), 295–297. doi: https://doi.org/10.1134/s0018151x12020198
  13. Burtsev, S., Vinogradov, Y., Kiselev, N., Strongin, M. (2016). Selection of Rational Heat Transfer Intensifiers in the Heat Exchanger. Science and Education of the Bauman MSTU, 12, 35–56. doi: https://doi.org/10.7463/1216.0852444
  14. Pavan Kumar Reddy, M., Ramana Murthy, J. V. (2019). Entropy analysis for heat transfer in a rectangular channel with suction. Heat Transfer-Asian Research, 48 (7), 2773–2798. doi: https://doi.org/10.1002/htj.21513
  15. Biswas, N., Manna, N. K. (2017). Transport phenomena in a sidewall-moving bottom-heated cavity using heatlines. Sādhanā, 42 (2), 193–211. doi: https://doi.org/10.1007/s12046-016-0586-4
  16. Curi, M., De Sampaio, P. A. B., Gonçalves Junior, M. A. (2017). Study of natural convection with a stabilized finite element formulation. Computational Thermal Sciences: An International Journal, 9 (6), 513–527. doi: https://doi.org/10.1615/computthermalscien.2017018186
  17. Purusothaman, A., Baïri, A., Nithyadevi, N. (2016). 3D natural convection on a horizontal and vertical thermally active plate in a closed cubical cavity. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 26 (8), 2528–2542. doi: https://doi.org/10.1108/hff-08-2015-0341
  18. Roy, M., Basak, T., Roy, S. (2015). Analysis of Entropy Generation During Mixed Convection in Porous Square Cavities: Effect of Thermal Boundary Conditions. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 68 (9), 925–957. doi: https://doi.org/10.1080/10407782.2015.1023134
  19. Umavathi, J. C., Ojjela, O., Vajravelu, K. (2017). Numerical analysis of natural convective flow and heat transfer of nanofluids in a vertical rectangular duct using Darcy-Forchheimer-Brinkman model. International Journal of Thermal Sciences, 111, 511–524. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2016.10.002
  20. Ternik, P., Buchmeister, J. (2015). Buoyancy-Induced Flow and Heat Transfer of Power Law Fluids in a Side Heated Square Cavity. International Journal of Simulation Modelling, 14 (2), 238–249. doi: https://doi.org/10.2507/ijsimm14(2)5.293
  21. Rashad, A., Mansour, M., Gorla, R. S. R. (2016). Mixed convection from a discrete heater in lid-driven enclosures filled with non-Newtonian nanofluids. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: Journal of Nanomaterials, Nanoengineering and Nanosystems, 231 (1), 3–16. doi: https://doi.org/10.1177/1740349916634749
  22. Polyakov, A. F. (2014). A steady viscous-thermogravitational flow of capillary liquid and heat transfer in a vertical cavity under asymmetric heat conditions. High Temperature, 52 (1), 72–77. doi: https://doi.org/10.1134/s0018151x14010179
  23. Aksouh, A., Mataoui, A., Seghouani, N. (2012). Low Reynolds-number effect on the turbulent natural convection in an enclosed 3D tall cavity. Progress in Computational Fluid Dynamics, An International Journal, 12 (6), 389. doi: https://doi.org/10.1504/pcfd.2012.049811
  24. Noori Rahim Abadi, S. M. A., Jafari, A. (2012). Investigating the natural convection heat transfer from two elliptic cylinders in a closed cavity at different cylinder spacings. Heat Transfer Research, 43 (3), 259–284. doi: https://doi.org/10.1615/heattransres.2012002036
  25. Kaluri, R. S., Basak, T. (2011). Role of entropy generation on thermal management during natural convection in porous square cavities with distributed heat sources. Chemical Engineering Science, 66 (10), 2124–2140. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.02.009
  26. Bouabid, M., Magherbi, M., Hidouri, N., Brahim, A. B. (2011). Entropy Generation at Natural Convection in an Inclined Rectangular Cavity. Entropy, 13 (5), 1020–1033. doi: https://doi.org/10.3390/e13051020
  27. Boger, A. A., Ryabov, S. V., Ryazhskikh, V. I., Slyusarev, M. I. (2010). Calculation of a conductive-laminar thermo-convection regime of a Newtonian fluid in a rectangular cavity with isothermal vertical boundaries. Fluid Dynamics, 45 (3), 355–358. doi: https://doi.org/10.1134/s0015462810030026
  28. Bulat, A., Blyuss, B., Dreus, A., Liu, B., Dziuba, S. (2019). Modelling of deep wells thermal modes. Mining of Mineral Deposits, 13 (1), 58–65. doi: https://doi.org/10.33271/mining13.01.058
  29. Asadi, H., Javaherdeh, K., Ramezani, S. (2013). Finite element simulation of micropolar fluid flow in the lid-driven square cavity. International Journal of Applied Mechanics, 05 (04), 1350045. doi: https://doi.org/10.1142/s1758825113500452
  30. Yamouni, S., Mettot, C., Sipp, D., Jacquin, L. (2013). Passive Control of Cavity Flows. Journal AerospaceLab, 6, 1–7.
  31. Nagarajan, K. K., Singha, S., Cordier, L., Airiau, C. (2018). Open-loop control of cavity noise using Proper Orthogonal Decomposition reduced-order model. Computers & Fluids, 160, 1–13. doi: https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2017.10.019
  32. Iorio, C. S., Goncharova, O., Kabov, O. (2011). Influence of Boundaries on Shear-driven Flow of Liquids in Open Cavities. Microgravity Science and Technology, 23 (4), 373–379. doi: https://doi.org/10.1007/s12217-011-9257-6
  33. González, L. M., Ahmed, M., Kühnen, J., Kuhlmann, H. C., Theofilis, V. (2011). Three-dimensional flow instability in a lid-driven isosceles triangular cavity. Journal of Fluid Mechanics, 675, 369–396. doi: https://doi.org/10.1017/s002211201100022x
  34. Senel, P., Tezer-Sezgin, M. (2018). Convective Flow of Blood in Square and Circular Cavities. Analele Universitatii “Ovidius” Constanta - Seria Matematica, 26 (2), 209–230. doi: https://doi.org/10.2478/auom-2018-0026
  35. Senel, P., Tezer-Sezgin, M. (2016). DRBEM solution of biomagnetic fluid flow and heat transfer in cavities-CMMSE2016. Journal of Mathematical Chemistry, 55 (7), 1407–1426. doi: https://doi.org/10.1007/s10910-016-0721-9
  36. Senel, P., Tezer-Sezgin, M. (2016). DRBEM solutions of Stokes and Navier–Stokes equations in cavities under point source magnetic field. Engineering Analysis with Boundary Elements, 64, 158–175. doi: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2015.12.007
  37. Jin, K., Vanka, S. P., Thomas, B. G. (2015). Three-Dimensional Flow in a Driven Cavity Subjected to an External Magnetic Field. Journal of Fluids Engineering, 137 (7). doi: https://doi.org/10.1115/1.4029731
  38. Ahmed, S. E., Hussein, A. K., Mohammed, H. A., Adegun, I. K., Zhang, X., Kolsi, L. et. al. (2014). Viscous dissipation and radiation effects on MHD natural convection in a square enclosure filled with a porous medium. Nuclear Engineering and Design, 266, 34–42. doi: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.10.016
  39. Brès, G. A., Colonius, T. (2008). Three-dimensional instabilities in compressible flow over open cavities. Journal of Fluid Mechanics, 599, 309–339. doi: https://doi.org/10.1017/s0022112007009925
  40. Sinha, J. (2013). Studies on the Transition of the Flow Oscillations over an Axisymmetric Open Cavity Model. Advanced in Aerospace Science and Applications, 3 (2), 83–90.
  41. Sinha, J., Arora, K. (2017). Review of the flow-field analysis over cavities. 2017 International Conference on Infocom Technologies and Unmanned Systems (Trends and Future Directions) (ICTUS). doi: https://doi.org/10.1109/ictus.2017.8286128
  42. Yang, G., Sun, J., Liang, Y., Chen, Y. (2014). Effect of Geometry Parameters on Low-speed Cavity Flow by Wind Tunnel Experiment. AASRI Procedia, 9, 44–50. doi: https://doi.org/10.1016/j.aasri.2014.09.009
  43. Isaev, S. A., Sudakov, A. G., Luchko, N. N., Sidorovich, T. V., Harchenko, V. B. (2002). Chislennoe modelirovanie laminarnogo tsirkulyatsionnogo techeniya v kubicheskoy kaverne s podvizhnoy gran'yu. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal, 75 (1), 49–53.
  44. Bogatyrev, V. Ya., Dubnishchev, Yu. N., Muhin, V. A., Nakoryakov, V. E., Sobolev, V. S., Utkin, E. N., SHmoylov, N. F. (1976). Eksperimental'noe issledovanie techeniya v transhee. PMTF, 2, 76–86.
  45. Bogatyrev, V. Ya., Gorin, A. V. (1976). O tortsevyh effektah v transheyah pryamougol'nogo poperechnogo secheniya. Gradientnye i otryvnye techeniya. Novosibirsk, 132–139.
  46. Kármán, T. V. (1921). Über laminare und turbulente Reibung. ZAMM - Journal of Applied Mathematics and Mechanics / Zeitschrift Für Angewandte Mathematik Und Mechanik, 1 (4), 233–252. doi: https://doi.org/10.1002/zamm.19210010401
  47. Pohlhausen, K. (1921). Zur näherungsweisen Integration der Differentialgleichung der Iaminaren Grenzschicht. ZAMM - Journal of Applied Mathematics and Mechanics / Zeitschrift Für Angewandte Mathematik Und Mechanik, 1 (4), 252–290. doi: https://doi.org/10.1002/zamm.19210010402
  48. Loytsyanskiy, L. G. (1970). Mehanika zhidkosti i gaza. Moscow: Nauka, 904.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-12-17

Як цитувати

Kravets, E. (2019). Визначення структури ламінарної відривної течії у відкритій каверні. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(8 (102), 28–37. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.183811

Номер

Том 6 № 8 (102) (2019): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Elena Kravets

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.