МЕХАНИЗМ ПРИСТЕННОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ И НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ТРЕНИЯ
Автор: Николай Васильевич Никитин
Мгновенное распределение скорости в пристенной области турбулентного течения.
Согласно оценкам Международного энергетического агентства, до 25% всей вырабатываемой в мире энергии тратится в конечном итоге на движение жидкости в трубопроводах и каналах, а также на движение транспортных средств в водной и воздушной среде. Значительная доля этой энергии диссипируется в тепло турбулентностью в окрестности твёрдых стенок. Кроме того, пристенная турбулентность ответственна за почти 5% выбросов СО2. Таким образом, поиск эффективных средств снижения турбулентного трения имеет огромный экономический, экологический и социальный потенциал. Этим объясняется непрекращающийся интерес к теме сокращения турбулентного трения и продолжающиеся активные научные исследования во многих лабораториях мира.
В настоящее время можно считать доказанным, что поддержание турбулентности вблизи твёрдых стенок связано с наличием в потоке долгоживущих крупномасштабных структур в виде вытянутых вдоль течения полос ускоренного и замедленного движения, чередующихся в боковом направлении (см. рисунок). Такое распределение скорости неустойчиво и порождает мелкомасштабные флуктуации, нелинейное взаимодействие которых поддерживает существование полосчатых структур. Предложено множество моделей образования полосчатых структур в пристенной области турбулентного течения, однако консенсуса в этом вопросе до сих пор не достигнуто. Наиболее популярная точка зрения связывает образование полос в распределении продольной скорости с наличием слабых квазипродольных вихрей – структур, преимущественное движение в которых происходит в плоскости, перпендикулярной направлению основного потока. Действуя на фоне градиента основной скорости, такие вихри переносят медленные частицы жидкости из пристенной области во внешнюю часть потока, где образуются полосы замедления. А в смежных областях наоборот, быстрые частицы внешнего потока переносятся к стенке, образуя полосы замедления. Такой механизм называют лифт-ап эффектом. Отметим, что описанная картина не объясняет причину возникновения организованных структур, а лишь переносит проблему с полос на квазипродольные вихри. Так или иначе, можно условно выделить три стадии цикла поддержания пристенной турбулентности: турбулентные пульсации возникают в результате неустойчивости крупномасштабного полосчатого движения, которое образуется под действием квазипродольных вихрей посредством лифт-ап эффекта. В свою очередь генерация вихрей происходит из мелкомасштабных пульсаций в результате некоторого нелинейного процесса. Можно надеяться, что разрыв или затруднение любого из трёх перечисленных звеньев гипотетического цикла поддержания пристенной турбулентности приведёт к снижению её интенсивности, и, как следствие, к уменьшению трения на стенке.
В докладе будут представлены некоторые имеющиеся в настоящее время методы снижения турбулентного трения, в том числе и исследованные автором доклада в работах [1-3]. Будет предложено объяснение действенности этих методов, очерчены перспективы их развития и практического использования.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 22-21-00184.
1.Никитин Н.В. Турбулентное течение в канале с искусственным двумерным пристенным слоем // Изв. РАН, МЖГ. 2003. №6. С. 32–40.
2.Никитин Н.В. О механизме подавления турбулентности боковыми осцилляциями обтекаемой поверхности // Изв. РАН, МЖГ. 2000. №2. С. 37–44.
3.Водопьянов И.С., Никитин Н.В., Чернышенко С.И. Снижение турбулентного сопротивления боковыми колебаниями оребренной поверхности // Изв. РАН, МЖГ. 2013. №4. С.46–56.
