ИСТИНА

Зависимость структуры и свойств течений после потери устойчивости от начальных и граничных условий обеспечивает возможности управления свойствами различных режимов течений, в том числе и турбулентных. Целью предлагаемого проекта является комплексное экспериментальное и численное исследование возможных способов управления ламинарно-турбулентным переходом и свойствами турбулентных течений вязкой несжимаемой жидкости в сферических слоях с вращением. Полученные в проекте результаты могут использоваться при разработке новых технических систем и технологических процессов (технологии и установки нового поколения для разделения материалов, технологии энергосбережения, сферические мишени, используемые при исследовании термоядерного синтеза). Авторами проекта в ходе выполнения исследований получены 3 патента РФ, которые могут использоваться в технологиях энергосбережения, биотехнологиях и при исследованиях возможности генерации магнитных полей в течениях жидких металлов (№ 2488433, 27.07.2013, № 2563496, 25.08.2015 и №.2589485, 09.06.2016). Для управления структурой и свойствами течений, в том числе и турбулентных, предполагается использование возмущений граничных/начальных условий контролируемого вида и амплитуды в виде постоянных ускорений, модуляции скорости вращения и шума. Перечисленные виды воздействий присутствуют как в технических системах (в виде вибраций), так и в природе (неравномерность вращения Земли и внешние по отношению к атмосфере периодические воздействия). В ранее проведенных исследованиях влияние шума изучено недостаточно, а остальные из перечисленных выше видов возмущений использовались отдельно от других. В рассматриваемом проекте при управлении свойствами течений предполагается, в отличие от ранее проведенных исследований, совместное использование возмущений различных видов, в виде комбинации постоянного по величине ускорения и шума. Будут также изучены возможности изменения свойств развитых турбулентных течений, уменьшения турбулентных пульсаций скорости и полного устранения турбулентности под действием модуляции скорости вращения. Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут использоваться при разработке новых промышленных технологий и изучении крупномасштабных природных процессов в океанах и атмосфере.

Dependence of the structure and properties of the flow after the instability on the initial and boundary conditions provide the possibility of the flow control, including turbulent ones. The aim of recent project is combined, experimental and numerical, investigation of the control of laminar – turbulent transition and properties of turbulent flows of viscous incompressible fluid in spherical shells with rotation. The results of the project may be used in creating new technical systems and technological processes (new generation technology and device for substance separation, energy saving technology, spherical targets for thermonuclear synthesis). Authors of the project have 3 RF patents, which may be used in energy saving and bio technologies, for investigations of magnetic fields generation in liquid metals flows (№ 2488433, 27.07.2013, № 2563496, 25.08.2015 и №.2589485, 09.06.2016). For flow structure and properties control, including turbulent flows, perturbations in initial and boundary conditions are supposed to be used. Perturbations will be of checking type and amplitude such as acceleration and modulation of rotational velocity, addition of noise. These kinds of forcing are inherent both to technical (vibrations), and natural (non uniformity of Earth rotation, external periodical forcing on the atmosphere) systems. Noise influence is insufficiently studied up to now, other mentioned perturbations were studied separately. In recent project, unlike earlier investigations, joint action of perturbations, such as constant acceleration and noise, is supposed. The action of rotational velocity modulation on the alteration of the properties of developed turbulent flows, turbulent pulsation decreasing and its full suppression will be also studied. Obtained within the framework of this project results may be used in development of new industrial technologies as well as in studying of large scale processes in oceans and atmosphere.

При выполнении проекта ожидается получение следующих результатов: - на основе расчета определить области сферического слоя, в которых турбулентное течение различается по виду спектров в инерционном интервале, уровню турбулентных пульсаций скорости, уровню синхронизации; выявить зависимость этих свойств от параметров возмущения; - экспериментально и численно исследовать взаимодействие конкурирующих линейных мод во времени при совместном воздействии постоянного ускорения и шума, а именно: определить направление перекачки энергии и инкременты нарастания в зависимости от параметров возмущения; - экспериментально и численно определить возможные виды неустойчивости течений, вызванных вращательными колебаниями сфер как относительно состояния покоя, так и относительно среднего вращения, а также их зависимость от параметров модуляции скорости вращения, определить пределы устойчивости обнаруженных вторичных режимов течения; - экспериментально и численно определить условия, необходимые для изменения вида и свойств турбулентности, а также ее полного подавления.

Показано, при формировании турбулентности в сферических слоях под действием модуляции скорости вращения свойства турбулентности могут быть совершенно различными в зависимости от того, скорость какой из сфер подвергается модуляции. В результате такого перехода впервые в мире для вращающихся сферических слоев экспериментально и численно обнаружена возможность формирования как двумерной турбулентности с наклоном спектра -5/3 и обратным каскадом на меньших частотах и с наклоном спектра -3 и прямым каскадом на больших частотах (модуляция внутренней сферы), так и трехмерной турбулентности с наклоном спектра -5/3 и прямым каскадом передачи энергии на всем инерционном интервале (модуляция внешней сферы). Также впервые в мире экспериментально и численно показана возможность формирования турбулентности, спектр которой качественно соответствует натурным измерениям в верхних слоях атмосферы Земли: с наклоном спектра -3 на низких частотах и с наклоном спектра -5/3 на высоких частотах с прямым каскадом передачи энергии на всех участках инерционного интервала. Во всех рассмотренных случаях для определения направления каскада передачи энергии прямым расчетом определялась структурная функция третьего порядка скорости методом, предложенным академиком Голицыным для вращающихся течений.