Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
технических наук: 05.23.16 – гидравлика и инженерная гидрология. —
Москва, 2009. — 77 с.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор
Шкадов В.Я.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является комплексное исследование за-крученных потоков, направленное на совершенствование конструкций и повышение эффективности работы вихревых устройств, гидротехнических объектов и теплоэнергетических сооружений.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Разработаны математические модели и проведены расчеты закрученных течений в осесимметричных и кольцевых каналах, в том числе, с произвольной формой боковой поверхности, а также для течений в неограниченной среде.
Разработаны математические модели и проведены расчеты закрученных течений при наличии в потоке мелкодисперсной примеси и аэрированных струй.
Исследованы пределы существования интенсивных закрученных течений в пространстве управляющих параметров. В линейной постановке численно исследована задача устойчивости модельных и расчетных закрученных течений с зонами рециркуляции.
Разработан метод численного моделирования и проведены расчеты смешения закрученных турбулентных потоков в комбинированных высотных сооружениях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны алгоритмы и создан эффективный комплекс программ для ма-тематического моделирования закрученных потоков на основе уравнений Навье–Стокса с применением модифицированной схемы Леонарда третьего порядка точности при аппроксимации конвективных членов;
проведено численное исследование закрученных потоков в осесимметричном и кольцевом каналах, свободном вихре, модельной вихревой камере; в случае коаксиальной закрутки потоков впервые получена двухъячеистая структура рециркуляционной зоны и показано, что умеренная закрутка внешнего потока может приводить как к увеличению, так и к уменьшению зоны возвратного течения;
разработана математическая модель движения аэрированной струи в массиве жидкости на основе метода интегральных соотношений и получены формулы для инженерных расчетов глубины распространения пузырьковой зоны;
разработан эффективный метод численного исследования гидродинамической устойчивости закрученных потоков; для вихря Бэтчелора найдена новая вязкая мода неустойчивости; впервые обнаружено и исследовано свойство ветвления собственных решений, построены кривые нейтральной устойчивости для восьми мод с точками самопересечения и впервые показана неустойчивость течения при большой закрутке потока; проведено численное исследование устойчивости закрученных течений при наличии в потоке рециркуляционных зон; установлены предельные значения параметров, при которых закрученные потоки являются устойчивыми и могут быть реализованы;
разработан метод расчета двухфазных вихревых течений, основанный на конвективно–диффузионной модели в приближении пассивной примеси; исследовано влияние рециркуляционных зон на процесс осаждения частиц в задачах распыления порошка, классификации частиц по размерам, течений в прямоточном пылеотделителе и гидротехническом отстойнике;
разработана математическая модель и метод решения задачи о турбулентном смешении потоков в осесимметричном канале с произвольной формой боковой поверхности для экологически чистой технологии сжигания природного топлива в современных ТЭС; исследован эффект разгона струи в комбинированных высотных сооружениях за счет действия подъемной силы; рассчитаны картины линий тока, позволяющие проводить поиск оптимальных режимов течений для вытяжной трубы в комбинированных высотных сооружениях.
Практическая ценность.
Разработанные математические методы и комплекс программ позволяют проводить численное моделирование и исследовать гидродинамическую устойчивость закрученных потоков с произвольным заданием начального профиля скорости. Полученные результаты могут быть использованы для выбора оптимальных режимов течений в теплотехнических устройствах и строительных сооружениях, в которых для организации рабочего процесса используется предварительная закрутка потока. Результаты математического моделирования распространения аэрированной струи использовались ПО «Сибволокно» при создании комплекса из трех плавучих аэрационных установок на пруде-накопителе биологических очистных сооружений, Роскомводом при создании опытно-промышленного образца плавучей аэрационной установки для Белгородского водохранилища, Дирекцией Московского зоологического парка при создании системы струйно-вихревой аэрации и замкнутого водооборота Большого пруда. Результаты диссертационной работы использованы в руководстве по проектированию и конструкторской документации вихревых аэраторов на донных водовыпусках плотин и внедрены в учебный процесс кафедр использования водной энергии и информатики и прикладной математики (МГСУ) для преподавания дисциплин «Эксплуатация городских водных объектов», «Математическое моделирование» и «Вычислительная аэрогидромеханика». Разработанные автором компьютерные программы расчетов зарегистрированы Всероссийским научно-техническим информационным центром и включены в общенациональный государственный фонд алгоритмов и программ.
Целью диссертационной работы является комплексное исследование за-крученных потоков, направленное на совершенствование конструкций и повышение эффективности работы вихревых устройств, гидротехнических объектов и теплоэнергетических сооружений.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Разработаны математические модели и проведены расчеты закрученных течений в осесимметричных и кольцевых каналах, в том числе, с произвольной формой боковой поверхности, а также для течений в неограниченной среде.
Разработаны математические модели и проведены расчеты закрученных течений при наличии в потоке мелкодисперсной примеси и аэрированных струй.
Исследованы пределы существования интенсивных закрученных течений в пространстве управляющих параметров. В линейной постановке численно исследована задача устойчивости модельных и расчетных закрученных течений с зонами рециркуляции.
Разработан метод численного моделирования и проведены расчеты смешения закрученных турбулентных потоков в комбинированных высотных сооружениях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны алгоритмы и создан эффективный комплекс программ для ма-тематического моделирования закрученных потоков на основе уравнений Навье–Стокса с применением модифицированной схемы Леонарда третьего порядка точности при аппроксимации конвективных членов;
проведено численное исследование закрученных потоков в осесимметричном и кольцевом каналах, свободном вихре, модельной вихревой камере; в случае коаксиальной закрутки потоков впервые получена двухъячеистая структура рециркуляционной зоны и показано, что умеренная закрутка внешнего потока может приводить как к увеличению, так и к уменьшению зоны возвратного течения;
разработана математическая модель движения аэрированной струи в массиве жидкости на основе метода интегральных соотношений и получены формулы для инженерных расчетов глубины распространения пузырьковой зоны;
разработан эффективный метод численного исследования гидродинамической устойчивости закрученных потоков; для вихря Бэтчелора найдена новая вязкая мода неустойчивости; впервые обнаружено и исследовано свойство ветвления собственных решений, построены кривые нейтральной устойчивости для восьми мод с точками самопересечения и впервые показана неустойчивость течения при большой закрутке потока; проведено численное исследование устойчивости закрученных течений при наличии в потоке рециркуляционных зон; установлены предельные значения параметров, при которых закрученные потоки являются устойчивыми и могут быть реализованы;
разработан метод расчета двухфазных вихревых течений, основанный на конвективно–диффузионной модели в приближении пассивной примеси; исследовано влияние рециркуляционных зон на процесс осаждения частиц в задачах распыления порошка, классификации частиц по размерам, течений в прямоточном пылеотделителе и гидротехническом отстойнике;
разработана математическая модель и метод решения задачи о турбулентном смешении потоков в осесимметричном канале с произвольной формой боковой поверхности для экологически чистой технологии сжигания природного топлива в современных ТЭС; исследован эффект разгона струи в комбинированных высотных сооружениях за счет действия подъемной силы; рассчитаны картины линий тока, позволяющие проводить поиск оптимальных режимов течений для вытяжной трубы в комбинированных высотных сооружениях.
Практическая ценность.
Разработанные математические методы и комплекс программ позволяют проводить численное моделирование и исследовать гидродинамическую устойчивость закрученных потоков с произвольным заданием начального профиля скорости. Полученные результаты могут быть использованы для выбора оптимальных режимов течений в теплотехнических устройствах и строительных сооружениях, в которых для организации рабочего процесса используется предварительная закрутка потока. Результаты математического моделирования распространения аэрированной струи использовались ПО «Сибволокно» при создании комплекса из трех плавучих аэрационных установок на пруде-накопителе биологических очистных сооружений, Роскомводом при создании опытно-промышленного образца плавучей аэрационной установки для Белгородского водохранилища, Дирекцией Московского зоологического парка при создании системы струйно-вихревой аэрации и замкнутого водооборота Большого пруда. Результаты диссертационной работы использованы в руководстве по проектированию и конструкторской документации вихревых аэраторов на донных водовыпусках плотин и внедрены в учебный процесс кафедр использования водной энергии и информатики и прикладной математики (МГСУ) для преподавания дисциплин «Эксплуатация городских водных объектов», «Математическое моделирование» и «Вычислительная аэрогидромеханика». Разработанные автором компьютерные программы расчетов зарегистрированы Всероссийским научно-техническим информационным центром и включены в общенациональный государственный фонд алгоритмов и программ.