Особенности движения среды в каналах со стенозами

Abstract

Исследовано течение вязкой несжимаемой жидкости в плоском канале при наличии в нем следующих друг за другом двух стенозов (сужений) на основе численного решения нестационарных уравнений Навье-Стокса. Алгоритм численного решения базируется на методе конечных объемов с использованием TVD схем для дискретизации конвективных членов. Проанализирован характер течения в области между стенозами в зависимости от числа Рейнольдса. В частности, показано, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса появляются характерные вихревые структуры в сдвиговых слоях на границе струи и полостей (ниш), образованных стенозами. В результате этого возникают устойчивые периодические антисимметричные автоколебания профиля скорости на выходе из отверстия второго стеноза, которые принципиально могут служить источником звуковых колебаний в канале. Определена зависимость чисел Струхаля автоколебаний профиля скорости от числа Рейнольдса.

Дослiджено течiю в'язкої нестисливої рiдини у плоскому каналi за наявностi в ньому двох послiдовно розташованих стенозiв (звужень) на основi чисельного розв'язання нестацiонарних рiвнянь Навьє-Стокса. Алгоритм чисельного розв'язання базується на методi скiнченних об'ємiв з використанням TVD схем для дискретизацiї конвективних членiв. Проаналiзовано характер течiї в областi мiж стенозами в залежностi вiд числа Рейнольдса. Зокрема показано, що в певному дiапазонi чисел Рейнольдса з'являються характернi вихровi структури в зсувних шарах на межi струї i порожнин (нiш), утворених стенозами. В результатi цього з'являються стiйкi перiодичнi антисиметричнi автоколивання профiля швидкостi на виходi з отвору другого стенозу, якi принципово можуть бути джерелом звукових коливань у каналi. Визначено залежнiсть чисел Струхаля автоколивань профiля швидкостi вiд числа Рейнольдса.

The flow of viscous incompressible fluid in a plane duct with two serial stenoses (contractions) is studied by way of the numerical solution of the unsteady Navier-Stokes equations. The algorithm of the numerical computations is based on the finite volume method and employs the TVD schemes for the discretization of the convective terms. The features of the flow in the area between the stenoses are analyzed at various Reynolds number. Specifically, it is shown that within certain limits of the Reynolds number an ensemble of vortex structures develops in the shear layers at the interface between the jet and the cavities (pockets) formed by the stenoses. As a consequence the stable periodic antisymmetric self-sustained oscillations of the velocity profile arise at the outlet of the second stenosis orifice. In principle, those oscillations may serve as an acoustic source in the duct. The dependence of the Strouhal number of the velocity profile oscillations on the Reynolds number is established.