Турбулентные характеристики развитого пограничного слоя в канале

Представлено академиком О. Г. Пенязьковым

Методом крупных вихрей (LES) с использованием пакета OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) выполнен расчет и анализ средней скорости, пульсаций, пространственных корреляций пульсаций скорости и волновых спектров пульсаций компонент скорости в развитом трехмерном турбулентном пограничном слое. Пограничный слой формировался при течении воды со средней скоростью 0,3 м/с в плоском канале размерами 50 х 125 х 850 мм (высота, ширина и длина соответственно). Скорость на входе в канал задавалась по закону 1/7. Число Рейнольдса, рассчитанное по половине высоты канала, равнялось 7500. Расчеты выполнены на двух координатах y⁺ = 10 и 40, т. е. в буферной и логарифмической областях пограничного слоя. Исследования показали, что в буферной области формируются вихревые структуры, которые сохраняют свою идентификацию и в начале логарифмической области (y⁺ = 40). Эти структуры формируют пакеты из вихрей различного масштаба. Размер этих пакетов в поперечном сечении существенно меньше, чем их длина. Дискретные пакеты слабо взаимодействуют между собой поперек пограничного слоя, что проявляется в постоянстве энергетического спектра в широком интервале волновых чисел.

1. Zhou, J. Autogeneration of near-wall vortical structures in channel flow / J. Zhou, R. J. Adrian, S. Balachandar // Phys. Fluids. - 1996. - Vol. 8, N 1. - P. 288-290. https://doi.org/10.1063Z1.868838

2. Adrian, R. J. Vortex organization in the outer region of the turbulent boundary layer / R. J. Adrian, C. D. Meinhart, C. D. Tomkins // J. Fluid Mech. - 2000. - Vol. 422. - P. 1-54. https://doi.org/10.1017/s0022112000001580

3. Pope, S. B. Turbulent Flows / S. B. Pope. - Cambridge, 2000. - 771 p. https://doi.org/10.1017/cbo9780511840531

4. Schumann, U. Subgrid scale model for finite difference simulations of turbulent flows in plane channels and annuli / U. Schumann // J. Comp. Phys. - 1975. - Vol. 18, N 4. - P. 376-404. https://doi.org/10.1016/0021-9991(75)90093-5

5. Kim, J. Turbulence statistics in fully developed channel flow at low Reynolds number / J. Kim, P. Moin, R. Moser // J. Fluid Mech. - 1987. - Vol. 177. - P. 133-166. https://doi.org/10.1017/s0022112087000892

6. Pan, Ch. Passive control of near-wall turbulence by means of roughness elements / Ch. Pan, J. Wang // Procedia IUTAM. - 2015. - Vol. 17. - P. 101-109. https://doi.org/10.1016/j.piutam.2015.06.014

7. Kreplin, H. Behavior of the three fluctuating velocity component in the wall region of a turbulent channel flow / H. Kreplin, H. Eckelmann // Phys. Fluids. - 1979. - Vol. 22. - P. 1233. https://doi.org/10.1063/L862737