Численное моделирование сложных течений газа в концентрированных огненных вихрях

Об авторах:

Баутин Сергей Петрович , доктор физико-математических наук, профессор кафедры высшей и прикладной математики, Снежинский физико-технический институт НИЯУ МИФИ; eLibrary AuthorID, sbautin@usurt.ru

Обухов Александр Геннадьевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры бизнес-информатики и математики, Тюменский индустриальный университет; eLibrary AuthorID, agobukhov@inbox.ru

Аннотация:

Представлены результаты численного моделирования свободных огненных вихрей, возникающих в лабораторных условиях. Возможность получения такого рода концентрированных огненных вихрей была продемонстрирована в серии экспериментальных работ, проведенных под руководством члена-корреспондента РАН А. Ю. Вараксина в Объединенном институте высоких температур РАН.

Аналитические и численные исследования возникающих сложных закрученных течений газа при локальном нагреве металлической подстилающей поверхности несколькими источниками предлагается рассматривать с точки зрения газовой динамики. При рассмотрении сложных течений нагревающегося газа как движения вязкой, теплопроводной и сжимаемой сплошной среды использована полная система уравнений Навье — Стокса. Предложенные начально-краевые условия позволили численно определить основные газодинамические характеристики возникающих трехмерных и нестационарных течений газа в свободных огненных вихрях.

Результаты расчетов показали, что при формировании огненных вихрей выделяется несколько этапов в их развитии. Первый этап характеризуется возникновением локальных течений газа, расходящихся в радиальном направлении от областей нагрева. Второй этап сопровождается формированием в областях расположения источников нагрева локальных вихрей с противоположными направлениями закрутки. Третий этап характерен тем, что из более мелких вихрей за счет интенсивного притока внешнего воздуха образуется общий крупный тепловой вихрь, который получает положительную закрутку под действием силы Кориолиса. На четвертом этапе с возрастанием скорости вращения наблюдается уменьшение вертикальных размеров теплового вихря и его распад на несколько мелких. Таким образом, завершение жизненного цикла одного концентрированного вихря сменяется формированием нового. Для исходных параметров время жизни концентрированного теплового вихря составляет порядка одной минуты.

Список литературы:

1. Баранникова Д. Д. Математическое численное моделирование температурных закрученных потоков воздуха в условиях действия сил тяжести и Кориолиса: дисс. … канд. физ.-мат. наук / Д. Д. Баранникова. Тюмень, 2017. 
2. Баутин С. П. Математическое и экспериментальное моделирование восходящих закрученных потоков / С. П. Баутин, Л. В. Абдубакова, Д. Д. Баранникова, А. О. Казачинский, И. Ю. Крутова, А. В. Мезенцев, А. Г. Обухов, Е. М. Сорокина // Сборник трудов ХI Всероссийской конференции по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Казань, 2015. С. 378-380. 
3. Баутин С. П. Математическое моделирование разрушительных атмосферных вихрей / С. П. Баутин, А. Г. Обухов. Новосибирск: Наука, 2012. 152 с. 
4. Баутин С. П. Об одном виде краевых условий при расчете трехмерных нестационарных течений сжимаемого вязкого теплопроводного газа / С. П. Баутин, А. Г. Обухов // Известия вузов. Нефть и газ. 2013. № 5. С. 55-63.
5. Баутин С. П. Одно точное стационарное решение системы уравнений газовой динамики / С. П. Баутин, А. Г. Обухов // Известия вузов. Нефть и газ. 2013. № 4. С. 81-86. 
6. Баутин С. П. Представление решений системы уравнений Навье — Стокса в окрестности контактной характеристики / С. П. Баутин // Прикладная математика и механика. 1987. Том 51. Вып. 4. С. 574-584.
7. Баутин С. П. Разрушительные атмосферные вихри и вращение Земли вокруг своей оси / С. П. Баутин, С. Л. Дерябин, И. Ю. Крутова, А. Г. Обухов. Екатеринбург: УрГУПС, 2017. 336 с. 
8. Баутин С. П. Разрушительные атмосферные вихри: теоремы, расчеты, эксперименты / С. П. Баутин, И. Ю. Крутова, А. Г. Обухов, К. В. Баутин. Новосибирск: Наука; Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2013. 215 с. 
9. Баутин С. П. Численное моделирование огненных вихрей при учете сил тяжести и Кориолиса / С. П. Баутин, А. Г. Обухов, Д. Д. Баранникова // Теплофизика высоких температур. 2018. Том 56. № 2. С. 241-246. DOI: 10.7868/S0040364418020114
10. Вараксин А. Ю. Генерация свободных концентрированных воздушных вихрей в лабораторных условиях / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, С. И. Таекин, В. Н. Копейцев // Теплофизика высоких температур. 2009. Том 47. № 1. С. 84-88.
11. Вараксин А. Ю. К вопросу управления поведением воздушных смерчей / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев // Теплофизика высоких температур. 2009. Том 47. № 6. С. 870-876.
12. Вараксин А. Ю. К выбору параметров частиц для визуализации и диагностики свободных концентрированных воздушных вихрей / А. Ю. Вараксин, М. В. Протасов, Ю. С. Теплицкий // Теплофизика высоких температур. 2014. Том 52. № 4. С. 581-587. DOI: 10.7868/S0040364414040267
13. Вараксин А. Ю. Метод воздействия на свободные нестационарные воздушные вихри / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев, М. А. Горбачев // Теплофизика высоких температур. 2012. Том 50. № 4. С. 533-537.
14. Вараксин А. Ю. Моделирование свободных тепловых вихрей: генерация, устойчивость, управление / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев, М. А. Горбачев // Теплофизика высоких температур. 2010. Том 48. № 6. С. 965-972.
15. Вараксин А. Ю. О возможности визуализации при моделировании воздушных смерчей / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев // Теплофизика высоких температур. 2010. Том 48. № 4. С. 617-622.
16. Вараксин А. Ю. О возможности воздействия на вихревые атмосферные образования / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев // Теплофизика высоких температур. 2010. Том 48. № 3. С. 433-437.
17. Вараксин А. Ю. О возможности генерации концентрированных огненных вихрей без использования принудительной закрутки / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев // Доклады Академии наук. 2014. Том 456. № 2. С. 159-161. DOI: 10.7868/S0869565214140102
18. Вараксин А. Ю. О возможности физического моделирования воздушных смерчей в лабораторных условиях / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев, С. И. Таекин // Теплофизика высоких температур. 2008. Том 46. № 6. С. 957-960.
19. Вараксин А. Ю. Параметры неустойчивой стратификации воздуха, приводящей к генерации свободных вихрей / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев, С. И. Таекин // Теплофизика высоких температур. 2010. Том 48. № 2. С. 269-273.
20. Вараксин А. Ю. Торнадо / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев. М.: Физматлит, 2011. 312 с.
21. Вараксин А. Ю. Физическое моделирование воздушных смерчей: некоторые безразмерные параметры / А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев, М. А. Горбачев // Теплофизика высоких температур. 2011. Том 49. № 2. С. 317-320.
22. Наливкин Д. В. Смерчи / Д. В. Наливкин. М.: Наука, 1984. 112 с. 
23. Наливкин Д. В. Ураганы, бури и смерчи. Географические особенности и геологическая деятельность / Д. В. Наливкин. Л.: Наука, 1969. 487 с. 
24. Обухов А. Г. Математическое моделирование и численный расчет начальной стадии формирования теплового восходящего закрученного потока / А. Г. Обухов, Д. Д. Баранникова // Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований. 2014. № 11. С. 113-118.
25. Обухов А. Г. Особенности течения газа в начальной стадии формирования теплового восходящего закрученного потока / А. Г. Обухов, Д. Д. Баранникова // Известия вузов. Нефть и газ. 2014. № 6. С. 65-70. 
26. Обухов А. Г. Расчеты термодинамических характеристик течений газа при моделировании концентрированных огненных вихрей / А. Г. Обухов // Материалы XXI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2019). Москва, 2019. С. 525-527. 
27. Пиралишвили Ш. А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш. А. Пиралишвили, В. М. Полнее, М. Н. Сергеев. М.: Энергомаш, 2000. 412 с. 
28. Сорокина Е. М. Численный расчет скоростей конвективного течения газа при кольцеобразной схеме нагрева / Е. М. Сорокина, А. Г. Обухов // Известия вузов. Нефть и газ. 2015. № 3. С. 84-90. 
29. Obukhov A. G. Numerical calculation of thermodinamic parameters unsteady three-dimensional rising swirling flow air / A. G. Obukhov, S. P. Bautin, L. V. Abdubakova // Physical and Mathematical Sciences. 2015. № 2. Pp. 16-24. 
30. Varaksin A. Yu. Effect of net structures on wall-free non-stationary air heat vortices / A. Yu. Varaksin, M. E. Romash, V. N. Kopeitsev // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 64. Pp. 817-828. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.05.008
31. Varaksin A. Yu. Method of impact on free nonstationary air vortices / A. Yu. Varaksin, M. E. Romash, V. N. Kopeitsev, M. A. Gorbachev // High Temperature. 2012. Vol. 50. № 4. Pp. 496-500. DOI: 10.1134/S0018151X12040219
32. Varaksin A. Yu. The generation of free air vortexes under laboratory condition / A. Yu. Varaksin, M. E. Romash, S. I. Taekin, V. N. Kopeitsev // High Temperature. 2009. Vol. 47. № 1. Pp. 78-82. DOI: 10.1134/S0018151X09010106
33. Varaksin A. Yu. The possibility of physical simulation of air tornado under laboratory condition / A. Yu. Varaksin, M. E. Romash, V. N. Kopeitsev, S. I. Taekin // High Temperature. 2008. Vol. 46. № 6. Pp. 888-891. DOI: 10.1134/S0018151X08060229