ИСТИНА

Разработка научных основ управления струйными течениями

The project aims to theoretically and experimentally study the development of disturbances and the transition to turbulence in laminar flooded jets and to search for new methods for controlling jet currents. In Project 2020, new results were obtained: (1) the use of linear modal stability theory to describe the development of harmonic disturbances in submerged jets was experimentally substantiated; (2) the existence of a non-modal mechanism for the growth of disturbances in jets was experimentally proven for the first time; (3) the existence of jets in which instability is absolute is theoretically justified and experimentally demonstrated, i.e. there are disturbances propagating upstream. The goal of this project is to develop these studies, deepen the understanding of the role of various growth mechanisms of disturbances in jets, and develop ways to control the laminar-turbulent transition in jets through a combination of different growth mechanisms. The project will solve two problems. The first task is to study the nonlinear interaction of modal and non-modal mechanisms of growth of disturbances in the jet. Namely, in the experimental part of the project, stationary disturbances will be introduced into the laminar jet simultaneously, deforming the cross section of the jet due to the non-modal growth mechanism, and harmonic modal disturbances. The growth rate of harmonic disturbances developing against the background of a deforming jet and the distance to the transition zone will be investigated. The parameters of disturbances will be determined for which the combination of two disturbances leads to an acceleration of the transition and to its delay. At the same time, direct numerical modeling (DNS) will be carried out of the nonlinear interaction of modally and non-modally growing disturbances in a circular flooded area until the transition to turbulence. The results will be compared with experimental measurements. The second task is devoted to studying the possibility of enhancing local absolute instability to form a global absolutely unstable mode. Previously, members of the team showed that despite the existence of local absolute instability, it can quickly change to convective instability due to the diffusion of the jet velocity profile downstream. It is known that for the existence of a global growing eigenmode in a flow evolving downstream, it is necessary that the zone of local absolute instability be sufficiently extended. In this regard, the problem of the required length of the zone of local absolute instability will be theoretically (analytically and numerically) solved, taking into account the evolution of the downstream velocity profile. An experimental setup will be developed to form a jet in which absolute instability is most intense, and the development of disturbances in such a jet will be studied. At the same time, the nonlinear development of a pulsed disturbance in such a jet will be studied numerically. The possibility of intensifying mass transfer between an absolutely unstable jet and the surrounding space will be investigated. The listed tasks are new and relevant, their solution as a result of the Project will make a significant contribution to the development of the theory of hydrodynamic stability in terms of its application to submerged jets. A detailed study of the mechanisms of growth of disturbances and the transition to turbulence in flooded jets will make it possible to develop methods for controlling the laminar-turbulent transition in jets (both for the purpose of delaying the transition to turbulence and for turbulization of the flow in the immediate vicinity of the beginning of the jet). Delaying the transition to turbulence is important, in particular, for creating local clean zones, as well as air curtains that delimit zones with different requirements for cleanliness and composition of the environment. On the contrary, the earliest turbulization of the jet will enhance mixing and mass transfer, which is important in a large number of technical applications (combustion chamber nozzles, chemical reactors, etc.).

В результате выполнения проекта: 1. Будут измерены профили средней скорости и пульсаций скорости, спектр пульсаций, измерена интенсивность вовлечения в движение окружающей среды в турбулентном участке струны, вызванным модальным и немодальным механизмами. 2. Будет экспериментально исследованы комбинации вносимых стационарных немодальных и гармонических модальных возмущений и проанализирована возможность ускорения и замедления перехода к турбулентности за счёт стационарной деформации струи. 3. Будет численно рассчитано нелинейное взаимодействие модально и немодально растущих возмущений и проанализирована возможность затягивания ламинарно-турбулентного перехода в круглой затопленной струе. 4. Будет проанализирована возможность интенсификации локальной абсолютной неустойчивости в струе и проведены экспериментальные исследования по развитию возмущений в абсолютно неустойчивой струе. 5. Будет аналитически, методом ВКБ, и численно в линейном приближении решена задача о формировании глобальной собственной моды при конечной длине зоны локальной абсолютной неустойчивости в развивающейся вниз по потоку струе. Будет определена минимально необходимая длина такой зоны. 6. В нелинейной постановке будет решена задача об эволюции локализованного импульсного возмущения в абсолютно неустойчивой струе. Все ожидаемые результаты находятся на мировом уровне. Ранее коллективом проекта впервые удалось экспериментально доказать существование немодального механизма роста в круглой затопленной струе и продемонстрировать механизм перехода к турбулентности, отличный от классического развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Ожидается, что, как и в пристенных течениях, комбинация и нелинейное взаимодействие модально и немодально растущих возмущений может привести как к усилению, так и к ослаблению роста возмущений в струе, что позволит сформулировать алгоритмы управления ламинарно-турбулентным переходом в круглых затопленных струях. Также коллективом впервые теоретически доказано, что плоские струи более предрасположены к абсолютной неустойчивости, чем круглые струи, и продемонстрирована струя, в которой в эксперименте наблюдаются движущиеся вверх по потоку возмущения. Интенсификация абсолютной неустойчивости, её экспериментальное исследование и нелинейные DNS-расчёты развития импульсных локализованных возмущений, в т.ч. на фоне эволюционирующего вниз по потоку профиля скорости, впервые позволят изучить возможность разрушения ламинарного течения во всей струе сразу, начиная от выходного отверстия формирующего диффузора, что повысит интенсивность перемешивания струи с окружающим пространством. Результаты проекта могут использоваться для создания способов управления струйными течениями, которые могут найти приложения во множестве технологий. Затягивание перехода к турбулентности (удлинение ламинарного участка струи) может использоваться для создания локальных ламинарных “чистых зон”, т.е. зон пространства, заполненных специально очищенным воздухом (или в общем случае другим газом). Ламинарность течения исключает попадание в такие зоны посторонних примесей. Ламинарные чистые зоны, не имеющие твёрдых стенок, могут быть востребованы в микроэлектронике, высокоточном производстве, химических технологиях, микробиологии, фармацевтике. Плоские ламинарные струи могут использоваться как воздушные завесы, разграничивающие зоны пространства с разным требованием к чистоте и составу. Также имеются перспективные технологии создания “аэрозольных экранов”, в которых изображение проецируется на специально создаваемую струю аэрозоля (например, компании Displair и HelioDisplay). Основным недостатком таких технологий в настоящий момент является турбулентность струи, значительно искажающая проецируемое изображение. Затягивание перехода к турбулентности принципиально повысит качество изображения в таких устройствах. Наоборот, укорочение ламинарного участка, за счёт внесения возмущений, по структуре близких к оптимальным и за счёт комбинации модально и немодально растущих возмущений, или же за счёт создания абсолютно неустойчивой струи, может найти применение в ряде технологий, где необходимо обеспечить интенсивный массообмен между струёй и окружающей средой: в химических реакторах, топочных устройствах, в форсунках камер сгорания двигателей различных типов, горелках.

При выполнении проекта 2020 было получено два новых результата, требующих дальнейшего изучения. * Впервые было показано экспериментально, что в ламинарной круглой затопленной струе возможно развитие возмущений в соответствии с немодальным (алгебраическим) механизмом роста. Обнаружено, что переход к турбулентности при этом идёт по иному сценарию, нежели классическое развитие вихрей Кельвина-Гельмгольца. * Впервые показано теоретически и подтверждено численно, что в параллельных плоских течениях с однонаправленным струйным профилем скорости возможно возникновение абсолютной неустойчивости. Сформулированы требования к профилю скорости, обеспечивающие смену характера неустойчивости от конвективного к абсолютному. В связи с этим, в проекте 2023 ставятся две новые задачи, развивающие соответствующие направления проекта 2020: * Исследование характера перехода в круглой затопленной струе, определение характеристик турбулентности на начальной стадии её развития при эволюции возмущений, растущих немодально. Изучение возможностей управления переходом к турбулентности в струях путём внесения в поток искусственных стационарных возмущений. * Поиск возможностей создания абсолютно неустойчивых плоских и круглых затопленных струй в экспериментальных условиях.