Управление отрывным турбулентным потоком при помощи высокочастотных вращательных колебаний при Re=1,4x10[5]

Abstract

Актуальность. Характеристики отрывных турбулентных течений жидкости и газа играют важную роль при проектировании эффективного оборудования гидро- и теплоэлектростанций. В такого рода потоках реализуются режимы течения с вредоносными квазипериодическими осцилляциями величины скорости и давления высокой амплитуды за телом обтекания. Таким образом, знания о способах управления турбулентными потоками могут не только снизить износ рабочих частей оборудования, но и предотвратить их разрушение. Кроме того, для исследования возникающих оптимизационных задач с параметрами, меняющимися в широком диапазоне, необходимы валидированные модели турбулентности, которые существенно экономят вычислительное время по сравнению с использованием метода крупных вихрей и прямого численного моделирования. Цель работы: на примере модельной задачи обтекания бесконечного цилиндра применить перспективную технику контроля потока при помощи вращательных колебаний стенки цилиндра вокруг своей оси. Исследования проведены при практически реализуемых высоких числах Рейнольдса, Re=1,4х10[5] при использовании валидированные численные методы для того, чтобы продемонстрировать возможность существенного понижения коэффициента лобового сопротивления и флуктуаций подъемной силы, действующей на цилиндр. Методы. Используется вычислительный код T-FlowS, основанный на методе конечных объемов и неструктурированных расчетных сетках, и метод нестационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса с замыканием Рейнольдсовых напряжений второго порядка. Результаты. Показаны возможности управления потоком - уменьшение ширины следа за цилиндром, подавление рециркуляционной зоны, увеличение частоты срыва вихрей, снижение сопротивления и флуктуаций подъемной силы. Показано, что при определенных параметрах колебания цилиндра коэффициент сопротивления может быть уменьшен на 78 % по сравнению с невозмущенным потоком.

Relevance. Characteristics of separated turbulent streams are of great importance when designing effective hydro- and thermal power plants equipment. In such streams the flow regimes with harmful quasi-periodic high-amplitude oscillations of velocity and pressure behind the body are implemented. Thus, the knowledge on the ways of controlling turbulent streams can not only reduce the wear of working parts of equipment but prevent their destruction. Besides, to study the occurring optimization problems with the parameters, which change in a wide range, one needs the validated turbulence models which save significantly the computing time compared to Large-eddy simulations and direct numerical simulations. The aim of the research is to apply a promising method to control the flow using the rotary oscillations of cylinder around the axis of symmetry. The authors have carried out the investigations using high Reynolds numbers Re=1,4x10[5], and the validated numerical methods, to demonstrate the capabilities of the chosen control strategy to decrease the drag coefficient and fluctuating lift force effecting the cylinder. Methods. The authors used T-FlowS code which is based on finite-volume method and unstructured grids and solve unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with second-moments closure. Results. The paper demonstrates the possibility to control the flow - decrease of trace width behind the cylinder, suppression of recirculating zone, increase of vortex shedding frequency, reduction of drag and lift forces. It is shown that at certain oscillating parameters of cylinder the resistance factor may be decreased by 78 % in comparison with non-rotating case.