Численное моделирование сложных течений газа в концентрированных огненных вихрях

Abstract

This article presents the results of numerical simulation of free fire vortices arising in laboratory conditions. The authors demonstrate the possibility of obtaining such concentrated fire vortices in a series of experimental studies conducted under the supervision of A. Yu. Varaksin, a corresponding member of the Russian Academy of Sciences, at the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences. The authors propose to consider the analytical and numerical studies of arising complex swirling gas flows during local heating of a metal underlying surface by several sources from the point of view of gas dynamics. When considering complex flows of a heating gas as a motion of a viscous, heat-conducting, and compressible continuous medium, the complete system of Navier-Stokes equations is used. The proposed initial-boundary conditions made it possible to numerically determine the main gas-dynamic characteristics of the resulting three-dimensional and unsteady gas flows in free fire vortices. The calculation results showed that during the formation of fiery vortices, several stages are distinguished in their development. The first stage is characterized by the occurrence of local gas flows diverging in the radial direction from the heating regions. The second stage is accompanied by the formation in the regions of the location of the heating sources of local vortices with opposite spin directions. The third stage is characterized by the fact that from smaller vortices due to the intense influx of external air a common large thermal vortex is formed, which receives a positive twist under the influence of the Coriolis force. At the fourth stage, with an increase in the rotation speed, a decrease in the vertical dimensions of the thermal vortex and its decay into several small ones is observed. Thus, the completion of the life cycle of one concentrated vortex is replaced by the formation of a new one. For the initial parameters, the lifetime of the concentrated thermal vortex is about one minute.

Представлены результаты численного моделирования свободных огненных вихрей, возникающих в лабораторных условиях. Возможность получения такого рода концентрированных огненных вихрей была продемонстрирована в серии экспериментальных работ, проведенных под руководством члена-корреспондента РАН А. Ю. Вараксина в Объединенном институте высоких температур РАН. Аналитические и численные исследования возникающих сложных закрученных течений газа при локальном нагреве металлической подстилающей поверхности несколькими источниками предлагается рассматривать с точки зрения газовой динамики. При рассмотрении сложных течений нагревающегося газа как движения вязкой, теплопроводной и сжимаемой сплошной среды использована полная система уравнений Навье-Стокса. Предложенные начально-краевые условия позволили численно определить основные газодинамические характеристики возникающих трехмерных и нестационарных течений газа в свободных огненных вихрях. Результаты расчетов показали, что при формировании огненных вихрей выделяется несколько этапов в их развитии. Первый этап характеризуется возникновением локальных течений газа, расходящихся в радиальном направлении от областей нагрева. Второй этап сопровождается формированием в областях расположения источников нагрева локальных вихрей с противоположными направлениями закрутки. Третий этап характерен тем, что из более мелких вихрей за счет интенсивного притока внешнего воздуха образуется общий крупный тепловой вихрь, который получает положительную закрутку под действием силы Кориолиса. На четвертом этапе с возрастанием скорости вращения наблюдается уменьшение вертикальных размеров теплового вихря и его распад на несколько мелких. Таким образом, завершение жизненного цикла одного концентрированного вихря сменяется формированием нового. Для исходных параметров время жизни концентрированного теплового вихря составляет порядка одной минуты.