Specifikace projektu
Název projektu: Vyšetřování turbulentního smykového proudění v kanálech s náhlým rozšířením průřezu
Investor: GA ČR
Předpokládané datum ukončení projektu: 12/2005
Hlavní řešitel: RNDr. Pavel Jonáš DrSc. - Ústav termomechaniky Akademie věd ČR Praha
Spoluřešitelé: Ústav technické matematiky, Strojní fakulta ČVUT; Laboratoř vodohospodářského výzkumu, Stavební fakulta VUT
Popis projektu: : Modelování turbulentního proudění s odtržením je poměrně složitý problém vyžadující vzájemnou vazbu experimentálního vyšetřování a numerické simulace. Pro experimentální vyšetřování obtékání dozadu směřujícího schodu v kanále obdélníkového průřezu, které je prováděno v aerodynamickém tunelu Ústavu termomechaniky, je použita měřicí technika zahrnující termoanemometrii s jednoduchými i vícedrátkovými sondami a sondami se žhavenou vrstvou pro měření složek Reynoldsových napětí, povrchového tření a indikace polohy znovupřilnutí, dále tlaková měření a měření smykového napětí na stěně (plůtek, žhavený film). Tyto experimenty jsou vhodně doplněny experimenty ve vodním kanále Laboratoře vodohospodářského výzkumu Stavební fakulty VUT Brno, při kterých je kromě dvousložkového LDA anemometru použita i PIV technika, která umožňuje detailní studium vývoje vírových útvarů v kanále za schodem. Měření ve vodním kanále umožní značně zvětšit rozsah vyšetřovaných Reynoldsových čísel.
Souběžně s experimentálním vyšetřováním je na Ústavu technické matematiky, Strojní fakulty ČVUT prováděna numerická simulace proudění v 2D a 3D kanále se schodem, založená na řešení úplné soustavy rovnic turbulentního proudění, doplněných vhodným modelem turbulence. Kromě modifikovaného dvouvrstvového modelu podle Mentera (1994) a jeho varianty s použitím jednoduchého RSM modelu ve vnější části smykové vrstvy je použit model turbulence založený na algebraických vztazích pro Reynoldsova napětí. Pro porovnání je pro obtékání schodu použita metoda simulace pohybu velkých vírů (LES).
Cíle projektu: Cílem projektu je zpřesnění fyzikálního modelu a numerického řešení turbulentního smykového proudění v kanálech obdélníkového průřezu s dozadu směřujícím schodem. Tento případ proudění, které obsahuje odtržení a znovupřilnutí proudu ke stěně, je významný jednak pro řadu aplikací ve vnitřní aerodynamice, ale též pro poznání obecných zákonitostí vývoje turbulentních smykových vrstev ve složitých okrajových podmínkách.
Rozšíření řešené problematiky na třírozměrné obtékání dozadu směřujícího schodu umožní studovat mechanismus vývoje a možnost ovlivňování vírových útvarů v kanálu za schodem v závislosti na relativní výšce a šířce schodu a na tloušťkách mezních vrstev na omezujících stěnách. Shromáždí se tak důležité podklady pro testování numerických metod a modelů turbulence obecně.
Aplikovatelnost v praxi: Výsledkem řešení projektu bude zpřesnění fyzikálního modelu a numerického řešení turbulentního smykového proudění v kanálech obdélníkového průřezu s náhlým rozšířením průřezu se zaměřením na mechanismus vzniku a vývoje vírových útvarů v kanále za schodem. Získané výsledky experimentálního vyšetřování a numerické simulace proudění v kanále s odtržením proudu na schodu a následujícím znovupřilnutím proudu ke stěně jednak přispějí k rozšíření základních poznatků o komplexním turbulentním smykovém proudění a poskytnou důležité podklady pro testování numerických metod a modelů turbulence a jednak umožní zpřesnit používané empirické vztahy pro stanovení ztrát při proudění v kanálech s náhlým rozšířením průřezu v širokém rozsahu poměrné velikosti schodu.
Tyto výsledky mohou být využity při navrhování průtočných částí proudových strojů a jiných zařízení ve strojírenství, vzduchotechnice, hydrotechnice a dalších oborech. Při proudění v kanálech s relativně "nízkým" schodem, vytvořeným nedokonalým napojením jednotlivých dílů, vzniká v oblasti za schodem výrazná podtlaková oblast, která může vést ke kavitační destrukci povrchu (zejména u betonových materiálů používaných ve vodohospodářství). Znalost struktury proudění v kanále s relativně "vysokým" schodem, který modeluje např. výtok vzduchu při větrání velkých prostor nebo vtok vody do aktivačních nebo usazovacích nádrží, je důležitá pro návrh těchto zařízení.
Specifikace projektu obsahuje i grafickou přílohu.