Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Хвалин А. Л. Моделирование турбулентного режима течения газа // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2022. Т. 22, вып. 4. С. 320-327. DOI: 10.18500/1817-3020-2022-22-4-320-327, EDN: UVEZON

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2022
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 120)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
532.57.08
EDN: 
UVEZON

Моделирование турбулентного режима течения газа

Авторы: 
Хвалин Александр Львович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Проанализированы физические процессы, происходящие в турбулентном потоке. В поперечном сечении трубопровода выделены характерные области: ядро турбулентного потока и ламинарный пристеночный слой. Для моделирования распределения скорости в ядре потока использован степенной закон, в пристеночной области – линейный закон изменения модуля вектора скорости. Показатель степени определяется в зависимости от значения числа Рейнольдса, алгоритм приведен. Использованный подход не требует значительных вычислительных затрат в отличие от ряда известных сеточных методов на основе системы дифференциальных уравнений Навье – Стокса.

На основе анализа физических процессов предложен способ математического моделирования турбулентного режима течения газа в круглой трубе в виде достаточно простых инженерных формул. Геометрический вид трехмерного годографа скорости представляет собой комбинацию из круглого усеченного конуса и фигуры вращения, образованной на основе степенной функции. Определена граница пристеночной области на основе числа Рейнольдса, получена инженерная формула.

Приведены результаты расчетов, в графическом виде представлены двумерные профили скорости для ряда значений скоростей. Анализ результатов позволяет определить границы применимости модели. Так, при различиях значений модулей скорости на оси трубопровода и вблизи стенки более 20%, т. е. при числах Рейнольдса ниже 8000, годограф скорости претерпевает излом в верхушечной области. Графический вид годографа скорости приближается к параболическому, что соответствует ламинарному режиму течения газа и описывается законом Пуазейля.

Список источников: 
  1. Фабрикант Н. Я. Аэродинамика. Общий курс. М. : Наука, 1964. 816 с.
  2. Колесниченко В. И., Шарифулин А. Н. Введение в механику жидкости : учеб. пособие. Пермь : Издательство Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019. 127 с.
  3. Yue Hu, Lazarian A., Bialy S. Study Turbulence and Probe Magnetic Fields Using the Gradient Technique: Application to H I-to-H2 Transition Regions // Astrophysical Journal. 2020. Vol. 905, № 2. P. 1–20. https://doi.org/10.3847/1538-4357/abc3c6
  4. Хвалин А. Л. Анализ и синтез интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на ферритовых резонаторах : автореф. дис. … д-ра техн. наук. Самара, 2014. 32 с.
  5. Апин М. П., Кудряшов Г. В., Хвалин А. Л. Оптимизация характеристик усилителя мощности на отечественных биполярных транзисторах в диапазоне от 1 до 2 ГГц // Радиотехника. 2018. № 8. С. 84–88.
  6. Титков А. А., Хвалин А. Л. Измерение статических и частотных характеристик биполярного транзистора // Измерительная техника. 2019. № 8. С. 58–62. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-8-58-62
  7. Хвалин А. Л., Титков А. А., Ляшенко А. В. Экспериментальные исследования основных характеристик транзистора 2Т937 // Гетеромагнитная микроэлектроника : сборник научных трудов / под ред. проф. А. В. Ляшенко. Саратов : ОАО «Институт критических технологий», 2019. Вып. 26. С. 4–10.
  8. Хвалин А. Л., Калинин А. В. Моделирование усилителей мощности в среде Microwave Office // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2021. Т. 21, вып. 3. С. 275–284. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2021-21-3-275-284
  9. Калинин А. В., Хвалин А. Л. Перестраиваемые радиотехнические генераторы шума // Гетеромагнитная микроэлектроника : сборник научных трудов / под ред. проф. А. В. Ляшенко. Саратов : ОАО «Институт критических технологий», 2019. Вып. 27. С. 31–43.
  10. Калинин А. В., Хвалин А. Л. Применение метода конечных элементов в современных системах автоматизированного проектирования // Гетеромагнитная микроэлектроника : сборник научных трудов / под ред. проф. А. В. Ляшенко. Саратов : ОАО «Институт критических технологий», 2019. Вып. 26. С. 41–51.
  11. Хвалин А. Л., Ляшенко А. В. Многоканальный микрополосковый делитель / сумматор мощности // Гетеромагнитная микроэлектроника : сборник научных трудов / под ред. проф. А. В. Ляшенко. Саратов : ОАО «Институт критических технологий», 2019. Вып. 27. С. 43–50.
  12. Fan Z., Rudlin J., Asfis G., Meng H. Convolution of Barker and Golay Codes for Low Voltage Ultrasonic Testing // Technologies. 2019. Vol. 7, № 4. P. 1–16. https://doi.org/l0.3390/technologies7040072
  13. Nauber R., Thieme N., Beyer H., Bflttner L., Rabiger D., Eckert S., Czarske J. Modular Ultrasound Array Doppler Velocimeter with FPGA-based Signal Processing for Real-time Flow Mapping in Liquid Metal // 2015 International Congress on Ultrasonics. Physic Procedia. 2015. Vol. 70. Р. 537–540.
  14. Eckert S., Cramer A., Gerbeth. G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows // Magnetohydrodynamics – Historical Evolution and Trends / eds. S. Molokov, R. Moreau, H. K. Moffatt. Berlin ; Heidelberg ; New York : Springer-Verlag, 2007. P. 275–294. https://doi.org/l0.1007/978-l-4020-4833-3_17
  15. Nauber R., Burger M., Buttner L., Franke S., Rabiger D., Eckert S., Czarske J. Novel ultrasound array measurement system for flow mapping of complex liquid metal flows // The European Physical Journal Special Topics. 2013. Vol. 220, № 1. Р. 43–52. https://doi.org/10.1140/epjst/e2013-01795-l
  16. Nauber R., Burger M., Neumann M., Buttner L., Dadzis K., Niemietz K., Patzold O., Czarske J. Dualplane flow mapping in a liquid-metal model experiment with a square melt in a traveling magnetic field // Experiments in Fluids. 2013. № 4. Р. 1–11. https://doi.org/l0.1007/s00348-013-1502-x
  17. Raine A. B., Aslam N., Underwood C. P., Danaher S. Development of an ultrasonic airflow measurement device for ducted air // Sensors. 2015. Vol. 15, № 5. P. 10705–10722.
  18. Chen Q., Li W., Wu J. Realization of a multipath ultrasonic gas flowmeter based on transit-time technique // Ultrasonics. 2014. Vol. 54, № 1. P. 285–290.
  19. Yu Y., Woradechjumroen D., Yu D. A review of fault detection and diagnosis methodologies on air-handling units // Energy Build. 2014. Vol. 82. Р. 555–562.
  20. Yu D., Li H., Yang M. A virtual supply airflow rate meter for rooftop air-conditioning units // Build. Environ. 2011. Vol. 46. Р. 1292–1302.
  21. Dhamodaran M., Jegadeesan S., Praveen R. Kumar Analysis and Calculation of the Fluid Flow and the Temperature Field by Finite Element Modeling // Measurement Science Review. 2018. Vol. 18, № 2. Р. 59–64.
  22. Jiang W., Zhang T., Xu Y. The effects of fluid viscosity on the orifice rotameter // Measurement Science Review. 2016. Vol. 16, № 2. Р. 87–95.
  23. Schena E., Massaroni C., Saccomandi P., Cecchini S. Flow measurement in mechanical ventilation: A review // Medical Engineering & Physics. 2015. Vol. 37, № 3. Р. 257–264.
  24. Gong Y., Liu Q. F., Zhang C. L., Wu Y., Rao Y. R., Peng G. D. Microfluidic flow rate detection with a large dynamic range by optical manipulation // IEEE Photonics Technology Letters. 2015. Vol. 27, № 23. Р. 2508–2511.
  25. Turkowski M. Influence of fluid properties on the characteristics of a mechanical oscillator flowmeter // Measurement. 2004. Vol. 35, № 1. Р. 11–18.
  26. Wei-Jiang, Tao-Zhang, Ying-Xu, Huaxiang-Wang, Xiaoli-Guo, Jing-Lei, Peiyong-Sang. The Effects of Fluid Viscosity on the Orifice Rotameter // Measurement Science Review. 2016. Vol. 16, № 2. P. 87–95.
Поступила в редакцию: 
16.03.2022
Принята к публикации: 
23.05.2022
Опубликована: 
30.11.2022