|
Развита постановка задач линейной устойчивости плоскопараллельных течений аэродисперсных сред с учетом ряда новых факторов: неоднородного распределения дисперсной фазы и рассогласования скоростей фаз в основном течении, подъемных сил Сэфмана в межфазном взаимодействии, а также конечности объемного содержания частиц. Во всех рассмотренных случаях исследование устойчивости двухфазного течения сведено к нахождению собственных значений краевой задачи для модифицированного уравнения типа Орра-Зоммерфельда с дополнительными членами, учитывающими влияние дисперсной фазы. Для различных профилей концентрации дисперсной фазы в пограничном слое на плоской пластине, качественно соответствующих имеющимся стационарным распределениям концентрации частиц в квазиравновесной области стационарного пограничного слоя, проведено численное исследование вида нейтральных кривых. Показано, что рост концентрации частиц в направлении стенки в основном течении приводит к значительному повышению устойчивости пограничного слоя. С увеличением вклада подъемных сил происходит бифуркация нейтральных кривых, что приводит к резкому уменьшению критических чисел Рейнольдса. Влияние рассогласования скоростей фаз в основном течении исследовано на примере течения запыленного газа в вертикальном канале в поле силы тяжести: показано, что в случае малоинерционных частиц нейтральные кривые замкнуты, а при очень малых числах Фруда течение в вертикальном канале абсолютно устойчиво к малым возмущениям. Учет конечности объемного содержания дисперсной фазы, проведенный на примере течения суспензии в горизонтальном плоском канале, показал, что даже при небольших значениях объемной доли частиц (порядка нескольких процентов) критические числа Рейнольдса изменяются почти в два раза по сравнению с результатами, полученными на основе модели запыленного газа (с бесконечно малой объемной долей частиц). На основании параметрических расчетов определен диапазон изменения параметра инерционности частиц, в котором частицы оказывают максимальное стабилизирующее воздействие.
С использованием смешанного эйлерово-лагранжева подхода исследованы различные схемы и механизмы аэродинамической фокусировки инерционной дисперсной примеси в газовых потоках. Фокусировка в областях "сходящихся" линий тока исследована на примерах течения аэрозоля вблизи входного сечения щелевого пробоотборника, а также движения запыленного газа за точкой взаимодействия плоских ударных волн (при регулярном и маховском отражении). В обоих случаях показана возможность формирования узких пучков высокой концентрации частиц. Показана возможность фокусировки частиц в сдвиговых течениях типа пограничного слоя за счет поперечной миграции частиц, вызванной действием подъемных сил сдвиговой природы (сил Сэфмана). Исследованы примеры фокусировки частиц в свободных и пристенных струйных течениях запыленного газа, течениях в узком канале и в пограничном слое на подвижной поверхности.
Изучены инерционные механизмы формирования локальных зон накопления частиц вблизи типичных кинематических особенностей течения несущей фазы. В качестве примеров рассмотрены течения с особенностями, в которых поле скоростей газа описывается сравнительно простыми аналитическими или автомодельными решениями: течения вблизи критической точки, возникающей при неортогональном стокновении различных вязких потоков, нестационарное (гармоническое по времени) течение вблизи ортогональной критической точки, плоское стационарное течение Кельвина с зонами локализованной завихренности типа "кошачий глаз", пространственное течение Гольдштика, описывающее взаимодействие линейного вихря с плоскостью в вязкой жидкости (модель торнадо). На основании численных расчетов полей концентрации частиц в указанных течениях с использованием полного лагранжева подхода определены пороговые значения параметров инерционности частиц, соответствующие качественной перестройке полей концентрации, возникновению "складок" и локальных зон накопления частиц. Показано, что в зонах сосредоточенной завихренности возникают области свободные от частиц, а на границах вихрей формируются зоны аккумуляции частиц.
Изучена роль нестационарных и наследственных сил Бассе-Буссинеска в межфазном обмене импульсом при моделировании гравитационной конвекции суспензий. На модельном примере оседания (всплытия) тяжелой (легкой) частицы в одномерном гармоническом поле скоростей несущей фазы определены диапазоны отношения плотностей фаз, в которых корректное описание межфазного обмена импульсом невозможно без учета нестационарных и наследственных сил. Предложен и опробован новый численный алгоритм решения интегродифференциального уравнения движения частицы в вязкой жидкости с учетом сил Стокса, Архимеда, присоединенных масс и Бассе-Буссинеска. На основе численных расчетов исследован процесс гравитационного осаждения частиц в суспензии с начально неоднородным распределением частиц в наклонных двумерных контейнерах. Найден угол наклона контейнера, соответствующий минимальной скорости осаждения.
| 