Моделирование эволюции неустойчивости Рэлея–Тейлора в стратифицированных и двухфазных средах
Неустойчивость Рэлея-Тейлора (НРТ) исследована для двухфазной системы несмешивающихся сред и стратифицированной однофазной среды путем прямого численного моделирования.
При разрешении поверхности раздела (ПР) несмешивающихся сред использовано уравнение для объемной фракции и «неразрывная» модель поверхностного натяжения (CSF), где плавное изменение функции объемной фракции поперек ПР происходит за счет свертки со сглаживающей функцией ядра. Результаты моделирования НРТ показывают, что среднее значение амплитуд ПР на боковых сторонах расчетной области сначала экспоненциально растет, соответствуя стадии линейной устойчивости. Вязкость и поверхностное натяжение оказывают демпфирующие эффекты на скорость роста НРТ, согласно данным теории и экспериментов.
Для реальных сред (вода-воздух) хорошее воспроизведение получается и в области линейной устойчивости, и в нелинейной области с насыщением скорости роста НРТ. Если перепад плотности сред невелик, в нелинейной стадии наблюдается неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, приводящая к характерным грибо-образным структурам. При большом перепаде плотностей такие эффекты отсутствуют – более тяжелая среда глубоко проникает в легкую, образуя высокие колонны. Неучет поверхностного натяжения приводит к завышению скорости роста, ложному искажению и фрагментации ПР. Развитая версия CSF-модели корректно описывает рост НРТ в пределах разброса данных измерений.
При обрушении внутренних волн в устойчиво стратифицированном потоке, набегающем на препятствие, в некоторых областях также возникают неустойчивые слои с резкими перепадами плотности. При больших числах Рейнольса или Шмидта в этих слоях зафиксированы грибоподобные конвективные структуры, свидетельствующие о нелинейной стадии развития НРТ в зоне опрокидывания внутренних волн. Структуры аналогичны наблюдаемым для двухфазной среды и приводят к формированию квазистационарной области развитой турбулентности с малыми вертикальными градиентами осредненной плотности.
Результаты исследования позволяют проанализировать механизмы развития неустойчивости и структуру возникающей турбулентности в задачах техники и окружающей среды.
К списку докладов
|
