Конвективный теплообмен и турбулентность в канальных отрывных течениях

Целью проекта является развитие методов прогнозирования гидродинамических и тепловых процессов в турбулентных отрывных течениях. Получены новые экспериментальные данные по локальным значениям коэффициента теплоотдачи в отрывной области за обратным уступом и выступом на стенке канала с варьированием числа Рейнольдса. Выполнен анализ связи локального конвективного теплообмена с характеристиками турбулентности в отрывной области. Получена обобщающая зависимость для коэффициента теплоотдачи (числа Нуссельта) вдоль всей отрывной области. Совместный анализ результатов гидродинамических и тепловых измерений позволил установить, что положение максимума коэффициентов теплоотдачи тесно связано с величинами касательных напряжений Рейнольдса и переносом энергии турбулентности нормальными напряжениями Рейнольдса в пристеночной области. На основе SIV-измерений динамики векторных полей скорости потока получены экспериментальные характеристики турбулентности в отрывной области при беспрецедентно хорошем пространственном разрешении, сопоставимом с масштабом турбулентности Колмогорова. На их основе получена новая информация по пространственному распределению энергии турбулентности, трактам переноса турбулентности в отрывной области турбулентного течения в классических задачах обтекания обратного уступа и выступа на стенке. Установлено, что в отрывной области профили среднеквадратичных пульсаций компонент скорости по разным направлениям имеют близкие значения, что позволяет использовать для оценки профилей диссипации гипотезу о локальной изотропности. Впервые измерены оптическим методом тройные корреляции пульсаций скорости, на основе которых определены четыре из шести значимых компонент тензора диффузии энергии турбулентности. Результаты измерения пространственного распределения энергии, масштаба и трактов переноса турбулентности в отрывной области показали, что восстановление локального баланса между генерацией и диссипацией энергии турбулентности происходит на длине порядка 7 высот препятствия на стенке. Выравнивание баланса обусловлено снижением максимума генеративного члена за счет уменьшения градиента скорости вдоль сдвигового слоя. Максимум же диссипации сохраняет свое значение в большей части отрывной области. Полученные результаты позволяют глубже понять сложные процессы теплопереноса в отрывных течениях и открывают новые возможности для воздействия на эти процессы в желательном направлении для того или иного инженерного приложения. Исследования соответствуют мировому уровню в данной области, а в части экспериментального определения баланса энергии турбулентности даже несколько опережают его.