Моделирование динамики подковообразного вихря в турбулентном пограничном слое

Abstract

Рассматривается взаимодействие системы подковообразных (шпилькообразных) вихрей в пограничном слое с профилем невозмущенного ламинарного и усредненного турбулентного слоев над твердой поверхностью. Сформирована модель вихря, основанная на тонкой вихревой трубке в рамках модели идеальной несжимаемой жидкости. Проведен сравнительный анализ кинематических и динамических характеристик результатов численного моделирования с результатами реального эксперимента и известными теоретическими решениями. Изучены основные закономерности взаимодействия системы подковообразных вихревых структур в сдвиговом течении над твердой поверхностью. Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными дает незначительное отклонение в скорости удаления подковообразных вихревых структур от твердой поверхности. Эта скорость характеризуется углом Q. Данные численного моделирования и эксперимента совпадают, Q»6o. Замечено, что скорость удаления вихрей остается неизменной в течение достаточно долгого промежутка времени и, вероятно, не зависит от геометрии вихря. Исследования позывают, что динамика подковообразных вихрей над твердой плоскостью определяется в основном типом профиля сдвигового течения и толщиной пограничного слоя, а не абсолютным значением скорости набегающего потока.

Розглядається взаємодiя системи пiдковоподiбних (шпилькоподiбних) вихорiв у прикордонному шарi з профiлем необуреного ламiнарного i усередненого турбулентного шарiв над твердою поверхнею. Сформовано модель вихора, яка заснована на тонкiй вихровiй трубцi в рамках моделi iдеальної нестисливої рiдини. Проведено порiвняльний аналiз кiнематичних i динамiчних характеристик результатiв чисельного моделювання з результатами реального експерименту i вiдомих теоретичних рiшень. Вивчено основнi закономiрностi взаємодiї системи пiдковоподiбних вихрових структур у сдвиговiй течiї над твердою поверхнею. Порiвняння результатiв чисельного моделювання з експериментальними даними дає незначне вiдхилення у швидкостi вiддалення пiдковоподiбних вихрових структур вiд твердої поверхнi. Ця швидкiсть характеризується кутом Q. Данi чисельного моделювання та експерименту збiгаються, Q»6o. Помiчено, що швидкiсть вiддалення вихорiв залишається незмiнною протягом досить довгого промiжку часу i, iмовiрно, не залежить вiд геометрiї вихора. Дослiдження позують, що динамiка пiдковоподiбних вихорiв над твердою площиною визначається в основному типом профiлю сдвигової течiї i товщиною прикордонного шару, а не абсолютним значенням швидкостi потоку, що набiгає.

The interaction of system of horseshoe (hairpin) vortices in a boundary layer with profile of unperturbated laminar and averaged turbulent layers above a firm surface is considered. A vortex model based on thin vortex tube within the framework of model of an ideal incompressible fluid is formed. The comparative analysis of kinematic and dynamic characteristics of results of numerical modeling with results of real experiment and known theoretical solutions is carried out. The main regularity of interaction of hairpin system of vortex structures in shift flow above a firm surface are investigated. The comparison of numerical modeling results with experimental data gives an insignificant deviation in a removal velocity of horseshoe vortical structures from a firm surface. Removal velocity of vortices from firm surfaces is characterized by a corner Q. The numerical modeling data and experimental data coincide, Q»6o. Note that the removal velocity of vortices remains constant during enough long time interval and, probably, does not depends on a vortex geometry. Researches shows that dynamics of horseshoe vorices above a firm plane is defined basically by the type of a shift flow profile and boundary layer thickness, instead of absolute value of an external velocity flow.