Явление обратного пристенного течения в турбулентном пограничном слое

Впервые экспериментально показано существование явления обратного пристенного течения (ОПТ) в безградиентном турбулентном пограничном слое при относительно малых числах Рейнольдса 207 < Reτ < 672. Предложен и обоснован механизм его формирования, согласно которому ОПТ возникает в результате взаимодействия крупномасштабных областей ускоренного и заторможенного течения с формированием сильного сдвигового слоя на границе их раздела, развивающегося сначала в пристенные поперечные, а затем в подковообразные вихревые структуры, из которых наиболее близкие к стенке индуцируют события ОПТ.

Условно-осредненное поле продольной флуктуирующей составляющей вектора скорости. Течение слева направо. Черный прямоугольник, расположенный в начале координат, условно ограничивает область ОПТ. Штриховая линия с углом наклона 13° обозначает границу раздела между областями ускоренного и заторможенного течения.

Впервые обнаружено явление ОПТ в углах канала квадратного поперечного сечения. Выявлено, что вероятность его возникновения на три порядка выше, чем в центральной области стенки канала. Показано, что механизм его возникновения связан с вихревыми структурами, вытянутыми в продольном направлении и расположенными в окрестности угла канала. Обнаружено, что события ОПТ, наблюдаемые в углах канала, возникают чаще, имеют большее время жизни и проходят большее расстояние за это время, чем события, наблюдаемые в центральной области стенки.

Визуализация условно-осредненного поля течения, иллюстрирующая механизм формирования ОПТ в углу канала квадратного поперечного сечения. Цветом изоповерхности λ2-критерия (λ2 = – 0,06) показана продольная составляющая вектора завихренности ωx. Черная изоповерхность обозначает область ОПТ (u < 0). В сечениях y-z, проходящих через область ОПТ, показаны векторные поля скорости и распределения продольной составляющей вектора завихренности ωx. Течение в положительном направлении оси x.

Существование различных механизмов возникновения ОПТ позволило объяснить впервые обнаруженное неравномерное распределение доли времени обратного течения по поверхности стенок канала квадратного поперечного сечения: она немонотонно возрастает с ~0,01 % до ~10 % при приближении от центральной к угловой области стенки канала. Установлено, что доля времени обратного течения, как в центральной, так и в угловой областях стенки, увеличивается с увеличением числа Рейнольдса, однако это увеличение менее выражено для событий, возникающих в углах канала.

ИТ СО РАН. Руководитель работы – Зарипов Динар Ильясович с.н.с., к.ф.-м. н. Исполнители – Иващенко Владислав Александрович инженер-исследователь; Мулляджанов Рустам Илхамович с.н.с., д.ф.-м.н.; Маркович Дмитрий Маркович директор ИТ СО РАН, д.ф.-м.н., академик РАН; Михеев Николай Иванович директор ИЭПТ КазНЦ РАН, д.ф.-м.н.; Li Renfu директор, PhD (Китай); Kahler Christian директор, PhD (Германия). Тел. +7 (383) 335-66-84.