Гидродинамическая устойчивость и турбулентность

Создание теории гидродинамической устойчивости и турбулентности на протяжении многих лет остается в Институте теплофизики в числе основных научных проблем. Были предприняты значительные усилия для построения теории турбулентности без эмпирических постоянных. Развиты новые подходы и получены оригинальные решения: предельные законы для турбулентных течений, принцип максимальной устойчивости; выявлены новые свойства подобия процессов турбулентного тепломассопереноса; при помощи методов квантовой теории поля и ренормализационной группы получены новые результаты для однородной изотропной турбулентности; развита теория структурной турбулентности.

Исследована линейная и нелинейная устойчивость основных (канонических) гидродинамических течений. Особое внимание было уделено течениям в каналах, струйным течениям вязкой жидкости, а также течениям жидкостей, проводящих электрический ток. При этом был выявлен и объяснен ряд новых физических эффектов, таких как спонтанное возникновение вращения в потоках различного типа, самопроизвольная генерация магнитного поля и др.

Получен закон тепломассоотдачи и основные характеристики пристенной турбулентности в потоках с отрывом.

Определено влияние внешней турбулентности на процессы переноса в пристенных течениях.

Показано, что наличие фронта пламени в пограничном слое приводит к ламинаризации течения.

Обнаружено влияние объемной вязкости (внутренних степеней свободы молекул) на процессы ламинарно-турбулентного перехода при течении в круглой трубе и сверхзвуковой струе.

На основе разработанного в институте метода стробоскопической визуализации потока проведено исследование тонкой структуры вязкого подслоя при течении воды, выяснен механизм снижения гидравлического сопротивления при добавках ничтожно малых количеств высокополимеров.

LES-моделирование. Мгновенное поле продольной компоненты скорости в круглой затопленной струе при числе Re = 25 000 (в момент времени t = 4,9 c).
Переход к многомасштабной пространственной форме  течения в рэлей-бенаровской конвекции (горизонтальный слой, подогреваемый снизу).	Турбулентная сверхзвуковая струя.  Экспозиция: слева – 10–3 с, справа – 10–5 с.

Синхронными измерениями мгновенных значений скорости и температуры определены корреляции между переносом импульса и тепла вблизи нагреваемой поверхности.

В качестве высокоэффективного средства управления пристенной турбулентностью и снижения трения изучено влияние полимерных добавок, податливых покрытий и микропузырькового газонасыщения пристенного потока жидкости. В экспериментах, проведенных в широком диапазоне чисел Рейнольдса от 3 * 106 до 108, достигнуто пятикратное уменьшение полного сопротивления испытуемых моделей. Выявлено резкое уменьшение высокочастотных акустических шумов и пульсаций давления на обтекаемой поверхности. Исследована динамика снижения трения полимерными растворами при очень высоких касательных напряжениях.

Экспериментально исследована эволюция пространственной формы течения в режиме тепловой гравитационно-капиллярной конвекции с ростом чисел Рэлея и Марангони. Процесс ламинарно-турбулентного перехода при числах Прандтля Рг > 5 имеет ярко выраженный многостадийный характер. С ростом перепада температуры форма течения качественно меняется. Появление новых масштабов течения сопровождается ростом интегральной теплопередачи.

При помощи метода Particle Image Velocimetry детально изучена турбулентная структура свободных и ограниченных струйных течений. Развиты подходы и методы анализа экспериментальных данных на основе тройной декомпозиции пульсаций и надлежащего ортогонального разложения (Proper Orthogonal Decomposition).

Развиты алгоритмы прямого численного решения уравнений Навье-Стокса и моделирования методом крупных вихрей (Large Eddy Simulation), в том числе при распараллеливании вычислений. Разработаны новые модели турбулентности, применимые для потоков различного вида с учетом тепломассопереноса и химических превращений.

Поле скорости и завихренности в осесимметричной импактной струе. Фазовое осреднение.

• Гольдштик М.А., Штерн В.Н. Гидродинамическая устойчивость и турбулентность. Новосибирск, 1977.
• Гольдштик М.А., Штерн В.Н., Яворский Н.И. Вязкие течения с парадоксальными свойствами. Новосибирск: Наука, 1989.
• Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Турбулентный пограничный слой сжимаемого газа. Новосибирск, 1968.
• Kutateladze S.S., Berdnikov V.S. Structure of thermogravitational convection in flat variously oriented layers of liquid and on a vertical wall // Int. J. Heat & Mass Transfer. 1984. V. 27, N. 9.
• Kuz'min G.A. Small-scale intermittenсу and renormalization group // Advances in Turbulence, VI, 1996.
• Novopashin S., Muriel A. Is the critical Reynolds number universal? // ЖЭТФ. 2002. V. 122, N. 2.
• Heinz O.M., llyusliin B.B., Markovich D.M. Application of a PDF's method for the statistical processing of experimental data // Int. J. Heat & Fluid Flow. 2004, V. 25.
• Алексеенко С.В., Бильский А.В., Маркович Д.М. Применение метода цифровой трассерной визуализации для анализа турбулентных потоков с периодической составляющей // Приборы и техника эксперимента. 2004. N. 5.
• Bandyopadhyay P.R., Henoch С., Hrubes J.D., Semenov B.N., Kulik V.M., AmirovA.L, MalyugaA.G., Choi K.-S., Escudier M.P. Experiments on the effect of ageing on compliant coating drag reduction // Physics of Fluids. 2005. V. 17.