МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВИХРЕВОГО КОЛЬЦА, ЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ПЕРЕНОСА ИМ ПАССИВНОЙ ПРИМЕСИ (2021)
Рассматривается численное моделирование газодинамических процессов, сопровождающих формирование и распространение вихревых колец, получаемых при помощи поршневого генератора. Обсуждается влияние характеристик вихревого кольца на перенос пассивной примеси. Для численных расчетов применяются нестационарные уравнения Навье—Стокса, для дисукретизации которых применяется метод конечных объемов. Результаты численного моделирования позволяют получить геометрические и динамические характеристики вихревого кольца, которые соответствуют автомодельному теории вихревого кольца и экспериментальным данным. Помимо традиционных подходов к визуализации вихревых течений, основанных на построении линий уровня различных характеристик потока, для визуализации вихревых структур применяются инварианты тензора градиента скорости и метод показателей Ляпунова на конечном промежутке времени.
Идентификаторы и классификаторы
- eLIBRARY ID
- 46575187
Выявление основных динамических особенностей формирования вихревых образований, а также их энергетических характеристик и способности переносить примеси является важным направлением исследований [1–4]. Исследования процессов формирования и движения вихревых колец привели к выяснению многих закономерностей вихревых движений жидкости и газа и послужили основой для разработки высокоэффективных технологических процессов [5, 6]. В течение длительного времени представления о структуре и законах движения вихревых колец основывались на математических моделях, разработанных с использованием схемы идеальной жидкости. Экспериментальные исследования позволили получить более достоверную информацию о структуре и процессах формирования реальных вихревых колец. Различные теории вихревых колец, а также взаимодействие вихревых колец обсуждаются в работах [7, 8]. Современные представления о структуре вихревых колец рассматриваются в работе [9].
Список литературы
- M. A. Lavrent’ev and B. V. Shabat, Hydrodynamics Problems and Their Mathematical Models (Nauka, Moscow, 1973) [in Russian].
- G. K. Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2012; Mir, Moscow, 1973).
- A. H. M. Eisenga, Dynamics of a Vortex Ring in a Rotating Fluid (Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, 1997).
- P. G. Saffman, Vortex Dynamics (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1992; Nauch. Mir, Moscow, 2000).
- Y. Xiang, S. Qin, and H. Liu, “Patterns for Efficient Propulsion during the Energy Evolution of Vortex Rings”, Eur. J. Mech. B Fluids 71, 47-58 (2018). EDN: YFKQEX
- L. Qin, Y. Xiang, H. Lin, and H. Liu, “Formation and Dynamics of Compressible Vortex Rings Generated by a Shock Tube”, Exp. Fluids 61 (2020). DOI: 10.1007/s00348-020-2920-1 EDN: KGKEYV
- K. Shariff and A. Leonard, “Vortex Rings”, Annu. Rev. Fluid Mech. 24, 235-279 (1992).
- V. V. Meleshko, A. A. Gourjii, and T. S. Krasnopolskaya, “Vortex Rings: History and State of the Art”, J. Math. Sci. 187 (6), 772-808 (2012). EDN: RRFOOH
- P. McGavin and D. I. Pontin, “Vortex Line Topology during Vortex Tube Reconnection”, Phys. Rev. Fluids 3 (2018). DOI: 10.1103/PhysRevFluids.3.054701
-
D. G. Akhmetov and O. P. Kisarov, "Hydrodynamic Structure of a Vortex Ring", Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 7 (4), 120-124 (1966) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 7 (4), 87-90 (1966)]. EDN: YPIMPF -
J. P. Sullivan, S. E. Widnall, and S. Ezekiel, "Study of Vortex Rings Using a Laser Doppler Velocimeter", AIAA J. 11 (10), 1384-1389 (1973). -
D. G. Akhmetov, "Formation and Basic Parameters of Vortex Rings", Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 42 (5), 70-83 (2001) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 42 (5), 794-805 (2001)]. EDN: NCBNQX -
D. G. Akhmetov, "Model of Vortex Ring Formation", Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 49 (6), 25-36 (2008) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 49 (6), 909-918 (2008)]. EDN: JVHCLT -
A. Weigand and M. Gharib, "On the Evolution of Laminar Vortex Rings", Exp. Fluids 22 (1997). DOI: 10.1007/s003480050071 -
Z. Sun, B. Pointz, and C. Bruecker, "Transition of a Vortex Ring Visualized by 3D Scanning TomoPIV", in Proc. 18th Int. Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, July 4-7, 2016, https://openaccess.city.ac.uk/id/eprint/15664. -
T. Maxworthy, "Some Experimental Studies of Vortex Rings", J. Fluid Mech. 81 (3), 465-495 (1977). -
V. F. Kop'ev and S. A. Chernyshev, "Vortex Ring Oscillations, the Development of Turbulence in Vortex Rings and Generation of Sound", Usp. Fiz. Nauk 170 (7), 713-742 (2000) [Phys. Usp. 43 (7), 663-690 (2000)]. EDN: MPFYXF -
K. Shariff, A. Leonard, and J. H. Ferziger, "Dynamical Systems Analysis of Fluid Transport in Time-Periodic Vortex Ring Flows", Phys. Fluids 18 (2006). DOI: 10.1063/1.2189867 -
M. Cheng, J. Lou, and T. T. Lim, "Evolution of an Elliptic Vortex Ring in a Viscous Fluid", Phys. Fluids 28 (2016). DOI: 10.1063/1.4944059 EDN: XYXSDN -
M. Bergdorf, P. Koumoutsakos, and A. Leonard, "Direct Numerical Simulations of Vortex Rings at {rm Re}_{Gamma}=7500", J. Fluid Mech. 581, 495-505 (2007). EDN: HZKLBF -
P. J. Archer, T. G. Thomas, and G. N. Coleman, "Direct Numerical Simulation of Vortex Ring Evolution from the Laminar to the Early Turbulent Regime", J. Fluid Mech. 598, 201-226 (2008). -
J. R. Mansfield, O. M. Knio, and C. Meneveau, "Dynamic LES of Colliding Vortex Rings Using a 3D Vortex Method", J. Comput. Phys. 152 (1), 305-345 (1999). EDN: MTPTVN -
K. Lindsay and R. Krasny, "A Particle Method and Adaptive Treecode for Vortex Sheet Motion in Three-Dimensional Flow", J. Comput. Phys. 172 (2), 879-907 (2001). EDN: MTRPJR -
K. Kontis, R. An, and J. A. Edwards, "Compressible Vortex-Ring Interaction Studies with a Number of Generic Body Configurations", AIAA J. 44 (12), 2962-2978 (2006). -
H. Zare-Behtash, K. Kontis, N. Gongora-Orozco, and K. Takayama, "Compressible Vortex Loops: Effect of Nozzle Geometry", Int. J. Heat Fluid Fl. 30 (3), 561-576 (2009). EDN: MTNMYJ -
V. V. Nikulin and M. S. Kotel'nikova, "Numerical Investigation of an Interaction between a Surface and a Vortex Ring Moving Normally to It", Vestn. Novosib. Gos. Univ., Ser. Mat. Mekh. Inform. 15 (4), 79-84 (2015). EDN: VHLEZB -
A. I. Stroutchayev, "Carry of a Passive Impurity by a Vortex Ring at Interaction with an Obstacle", in Physics of Aerodisperse Systems (Odessa Univ., Odessa, 2002), Issue 39, pp. 195-205. -
V. V. Selivanov and D. P. Levin, "Possibilities of Using Acoustic Means of Non-Lethal Action in Law Enforcement Operations", Vestn. Bauman Mosk. Gos. Tekh. Univ., Ser. Mech. Eng. No. 2, 102-114 (2009). EDN: KPNNXZ -
V. V. Selivanov and D. P. Levin, Non-Lethal Weapon (Bauman Gos. Tekh. Univ., Moscow, 2017) [in Russian]. EDN: YHNYJX -
K. Volkov, "Multigrid and Preconditioning Techniques in CFD Applications", in CFD Techniques and Thermo-Mechanics Applications (Springer, Cham, 2018), pp. 83-149. -
K. N. Volkov, V. N. Emelyanov, I. V. Teterina, and M. S. Yakovchuk, "Methods and Concepts of Vortex Flow Visualization in the Problems of Computational Fluid Dynamics", Vychisl. Metody Programm. 17 (1), 81-100 (2016). EDN: YTTYTR -
M. A. Green, C. W. Rowley, and G. Haller, "Detection of Lagrangian Coherent Structures in Three-Dimensional Turbulence", J. Fluid Mech. 572, 111-120 (2007). EDN: HWFWDP
Выпуск
Методы и алгоритмы вычислительной математики и их приложения.
Параллельные программные средства и технологии.
Другие статьи выпуска
HPC systems are complex in architecture and contain millions of components. To ensure reliable operation and efficient output, functioning of most subsystems should be supervised. This is done on the basis of collected data from various logging and monitoring systems. This means that different data sources are used, and accordingly, data analysis can face multiple issues processing this data. Some of the data subsets can be incorrect due to the malfunctioning of used sensors, monitoring system data aggregation errors, etc. This is why it is crucial to preprocess such monitoring data before analyzing it, taking into the consideration the analysis goals. The aim of this paper is, being based on the MSU HPC Center monitoring data, to propose an approach to data preprocessing of HPC monitoring systems, giving some real life examples of issues that may be faced, and recommendations for further analysis of similar datasets.
Исследованы возможности численного метода коллокации и наименьших квадратов (КНК) на примерах кусочно-полиномиального решения задачи Дирихле для уравнений Пуассона и типа диффузии-конвекции с особенностями в виде больших градиентов и разрыва решения на границах раздела двух подобластей. Предложены и реализованы новые hp-варианты метода КНК, основанные на присоединении внутри области малых и/или вытянутых нерегулярных ячеек, отсекаемых криволинейной границей раздела от исходных прямоугольных ячеек сетки, к соседним самостоятельным ячейкам. Выписываются с учетом особенности условия согласования между собой кусков решения в ячейках, примыкающих с разных сторон к границе раздела. Проведено сравнение результатов, полученных методом КНК и другими высокоточными методами. Показаны преимущества и достоинства метода КНК. Для ускорения итерационного процесса применены современные алгоритмы и методы: предобуславливание; свойства локальной системы координат в методе КНК; ускорение, основанное на подпространствах Крылова; операция продолжения на многосеточном комплексе; распараллеливание. Исследовано влияние этих способов на количество итераций и время расчетов при аппроксимации полиномами различных степеней.
Статья посвящена синтезу многослойных диэлектрических отражательных дифракционных решеток, с высокой эффективностью обеспечивающих спектральное сложение пучков с различной длиной волны в заданном дифракционном порядке. Приводятся результаты решения задачи синтеза многослойных диэлектрических дифракционных решеток, обеспечивающих спектральное сложение в первом или минус первом порядке дифракции. Кроме того, решается задача синтеза для таких решеток с учетом возможных технологических ограничений на высоту профиля (глубину травления). Решение задачи синтеза проводится путем минимизации зависящего от параметров решетки целевого функционала методом Нелдера-Мида. Решение прямой задачи на каждом шаге минимизации осуществляется при помощи комбинации неполного метода Галеркина и метода матриц рассеяния.
Издательство
- Издательство
- МГУ
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- оссийская Федерация, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1
- Юр. адрес
- оссийская Федерация, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1
- ФИО
- Садовничий Виктор Антонович (РЕКТОР)
- E-mail адрес
- info@rector.msu.ru
- Контактный телефон
- +7 (495) 9391000
- Сайт
- https://msu.ru/