DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v22r311

Моделирование и визуализация формирования вихревого кольца, его распространения и переноса им пассивной примеси

Авторы

  • К.Н. Волков
  • В.Н. Емельянов
  • И.Е. Капранов

Ключевые слова:

вычислительная газовая динамика
вихревая динамика
вихревое кольцо
завихренность
визуализация

Аннотация

Рассматривается численное моделирование газодинамических процессов, сопровождающих формирование и распространение вихревых колец, получаемых при помощи поршневого генератора. Обсуждается влияние характеристик вихревого кольца на перенос пассивной примеси. Для численных расчетов применяются нестационарные уравнения Навье--Стокса, для дисукретизации которых применяется метод конечных объемов. Результаты численного моделирования позволяют получить геометрические и динамические характеристики вихревого кольца, которые соответствуют автомодельному теории вихревого кольца и экспериментальным данным. Помимо традиционных подходов к визуализации вихревых течений, основанных на построении линий уровня различных характеристик потока, для визуализации вихревых структур применяются инварианты тензора градиента скорости и метод показателей Ляпунова на конечном промежутке времени.

Загрузки

Опубликован

2021-09-14

Выпуск

Том 22 (2021): Выпуск 3.

Раздел

Методы и алгоритмы вычислительной математики и их приложения

Авторы

К.Н. Волков

Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д.Ф. Устинова,
факультет ракетно-космической техники,
1-я Красноармейская ул., 1, 190005, Санкт-Петербург, Российская Федерация
• ведущий научный сотрудник

В.Н. Емельянов

Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д.Ф. Устинова,
факультет ракетно-космической техники,
1-я Красноармейская ул., 1, 190005, Санкт-Петербург, Российская Федерация
• д.т.н., профессор

И.Е. Капранов

АО ЦКБ МТ «Рубин»,
Марата ул., 90, 191119, Санкт-Петербург, Российская Федерация
• к.т.н., научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. M. A. Lavrent’ev and B. V. Shabat, Hydrodynamics Problems and Their Mathematical Models (Nauka, Moscow, 1973) [in Russian].
  2. G. K. Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2012; Mir, Moscow, 1973).
  3. A. H. M. Eisenga, Dynamics of a Vortex Ring in a Rotating Fluid (Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, 1997).
  4. P. G. Saffman, Vortex Dynamics (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1992; Nauch. Mir, Moscow, 2000).
  5. Y. Xiang, S. Qin, and H. Liu, “Patterns for Efficient Propulsion during the Energy Evolution of Vortex Rings,” Eur. J. Mech. B Fluids 71, 47-58 (2018).
  6. L. Qin, Y. Xiang, H. Lin, and H. Liu, “Formation and Dynamics of Compressible Vortex Rings Generated by a Shock Tube,” Exp. Fluids 61 (2020).
    doi 10.1007/s00348-020-2920-1
  7. K. Shariff and A. Leonard, “Vortex Rings,” Annu. Rev. Fluid Mech. 24, 235-279 (1992).
  8. V. V. Meleshko, A. A. Gourjii, and T. S. Krasnopolskaya, “Vortex Rings: History and State of the Art,” J. Math. Sci. 187 (6), 772-808 (2012).
  9. P. McGavin and D. I. Pontin, “Vortex Line Topology during Vortex Tube Reconnection,” Phys. Rev. Fluids 3 (2018).
    doi 10.1103/PhysRevFluids.3.054701
  10. D. G. Akhmetov and O. P. Kisarov, “Hydrodynamic Structure of a Vortex Ring,” Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 7 (4), 120-124 (1966) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 7 (4), 87-90 (1966)].
  11. J. P. Sullivan, S. E. Widnall, and S. Ezekiel, “Study of Vortex Rings Using a Laser Doppler Velocimeter,” AIAA J. 11 (10), 1384-1389 (1973).
  12. D. G. Akhmetov, “Formation and Basic Parameters of Vortex Rings,” Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 42 (5), 70-83 (2001) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 42 (5), 794-805 (2001)].
  13. D. G. Akhmetov, “Model of Vortex Ring Formation,” Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 49 (6), 25-36 (2008) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 49 (6), 909-918 (2008)].
  14. A. Weigand and M. Gharib, “On the Evolution of Laminar Vortex Rings,” Exp. Fluids 22 (1997).
    doi 10.1007/s003480050071
  15. Z. Sun, B. Pointz, and C. Bruecker, “Transition of a Vortex Ring Visualized by 3D Scanning TomoPIV,” in Proc. 18th Int. Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, July 4-7, 2016 ,
    https://openaccess.city.ac.uk/id/eprint/15664/
  16. T. Maxworthy, “Some Experimental Studies of Vortex Rings,” J. Fluid Mech. 81 (3), 465-495 (1977).
  17. V. F. Kop’ev and S. A. Chernyshev, “Vortex Ring Oscillations, the Development of Turbulence in Vortex Rings and Generation of Sound,” Usp. Fiz. Nauk 170 (7), 713-742 (2000) [Phys. Usp. 43 (7), 663-690 (2000)].
  18. K. Shariff, A. Leonard, and J. H. Ferziger, “Dynamical Systems Analysis of Fluid Transport in Time-Periodic Vortex Ring Flows,” Phys. Fluids 18 (2006).
    doi 10.1063/1.2189867
  19. M. Cheng, J. Lou, and T. T. Lim, “Evolution of an Elliptic Vortex Ring in a Viscous Fluid,” Phys. Fluids 28 (2016).
    doi 10.1063/1.4944059
  20. M. Bergdorf, P. Koumoutsakos, and A. Leonard, “Direct Numerical Simulations of Vortex Rings at {rm Re}_{Gamma}=7500,” J. Fluid Mech. 581, 495-505 (2007).
  21. P. J. Archer, T. G. Thomas, and G. N. Coleman, “Direct Numerical Simulation of Vortex Ring Evolution from the Laminar to the Early Turbulent Regime,” J. Fluid Mech. 598, 201-226 (2008).
  22. J. R. Mansfield, O. M. Knio, and C. Meneveau, “Dynamic LES of Colliding Vortex Rings Using a 3D Vortex Method,” J. Comput. Phys. 152 (1), 305-345 (1999).
  23. K. Lindsay and R. Krasny, “A Particle Method and Adaptive Treecode for Vortex Sheet Motion in Three-Dimensional Flow,” J. Comput. Phys. 172 (2), 879-907 (2001).
  24. K. Kontis, R. An, and J. A. Edwards, “Compressible Vortex-Ring Interaction Studies with a Number of Generic Body Configurations,” AIAA J. 44 (12), 2962-2978 (2006).
  25. H. Zare-Behtash, K. Kontis, N. Gongora-Orozco, and K. Takayama, “Compressible Vortex Loops: Effect of Nozzle Geometry,” Int. J. Heat Fluid Fl. 30 (3), 561-576 (2009).
  26. V. V. Nikulin and M. S. Kotel’nikova, “Numerical Investigation of an Interaction between a Surface and a Vortex Ring Moving Normally to It,” Vestn. Novosib. Gos. Univ., Ser. Mat. Mekh. Inform. 15 (4), 79-84 (2015).
  27. A. I. Stroutchayev, “Carry of a Passive Impurity by a Vortex Ring at Interaction with an Obstacle,” in Physics of Aerodisperse Systems (Odessa Univ., Odessa, 2002), Issue 39, pp. 195-205.
  28. V. V. Selivanov and D. P. Levin, “Possibilities of Using Acoustic Means of Non-Lethal Action in Law Enforcement Operations,” Vestn. Bauman Mosk. Gos. Tekh. Univ., Ser. Mech. Eng. No. 2, 102-114 (2009).
  29. V. V. Selivanov and D. P. Levin, Non-Lethal Weapon (Bauman Gos. Tekh. Univ., Moscow, 2017) [in Russian].
  30. K. Volkov, “Multigrid and Preconditioning Techniques in CFD Applications,” in CFD Techniques and Thermo-Mechanics Applications (Springer, Cham, 2018), pp. 83-149.
  31. K. N. Volkov, V. N. Emelyanov, I. V. Teterina, and M. S. Yakovchuk, “Methods and Concepts of Vortex Flow Visualization in the Problems of Computational Fluid Dynamics,” Vychisl. Metody Programm. 17 (1), 81-100 (2016).
  32. M. A. Green, C. W. Rowley, and G. Haller, “Detection of Lagrangian Coherent Structures in Three-Dimensional Turbulence,” J. Fluid Mech. 572, 111-120 (2007).

Лицензия

Copyright (c) 2021 К.Н. Волков, В.Н. Емельянов, И.Е. Капранов

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.