1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Механика жидкости и газа
  4. № 5, 2023

Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2023, № 5, стр. 57-69

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ДВИЖЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНЫХ ВИХРЕВЫХ ОБЛАКОВ

М. А. Засимова a, *, В. В. Рис a, Н. Г. Иванов a

a Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: zasimova_ma@spbstu.ru

Поступила в редакцию 01.02.2023
После доработки 25.05.2023
Принята к публикации 06.06.2023

Аннотация

Представлены результаты численного моделирования формирования и движения турбулентных вихревых облаков, возникающих в результате выдува импульсных струй с различными начальными скоростями и длительностью. Принята модель осесимметричного турбулентного течения, описываемого нестационарными уравнениями Рейнольдса. Показано, что независимо от начальных условий через один и тот же промежуток безразмерного времени от момента начала истечения струи возникает вихревое облако, которое имеет форму, близкую к сферической. Наведенное вихрем течение в остальном пространстве близко к потенциальному. Установлено, что профили скорости в вихрях в осевом и поперечном направлениях близки к автомодельным и схожи для различных условий истечения импульсных струй. Приведены и проанализированы зависимости от времени геометрических и кинематических характеристик вихревых облаков: положения центра облака (точки с максимальной скоростью) и радиуса сферы, эквивалентной по объему вихревому облаку, а также максимальной и средней скоростей. Для исследованных условий истечения струй характеристики вихревых облаков оказываются сходными.

Ключевые слова: импульсная струя, турбулентное вихревое облако, автомодельность, численное моделирование

Список литературы

  1. Nazaroff W.W. Indoor aerosol science aspects of SARS-CoV-2 transmission // Indoor Air. 2022. V. 32. № 1. P. 1–13. https://doi.org/10.1111/ina.12970

  2. Bu Y., Ooka R., Kikumoto H., Oh W. Recent research on expiratory particles in respiratory viral infection and control strategies: A review // Sustainable Cities and Society, 2021. V. 73. P. 1–16. https://doi.org/10.1016/j.scs.2021.103106

  3. Gupta J.K., Lin C.-H., Chen Q. Flow dynamics and characterization of a cough // Indoor Air. 2009. V. 19. № 6. P. 517–525. https://doi.org/10.1111/j.1600-0668.2009.00619.x

  4. Bourouiba L. The fluid dynamics of disease transmission // Annual Review of Fluid Mechanics. 2021. V. 53. P. 473–508. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-060220-113712

  5. Mazzino A., Rosti M.E. Unraveling the secrets of turbulence in a fluid puff // Phys. Rev. Lett. 2021. V. 127. № 9. P. 1–6. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.094501

  6. Fabregat A., Gisbert F., Vernet A., Dutta S., Mittal K., Pallarès J. Direct numerical simulation of the turbulent flow generated during a violent expiratory event // Physics of Fluids. 2021. V. 33. P. 1–12. https://doi.org/10.1063/5.0042086

  7. Fabregat A., Gisbert F., Vernet A., Ferré J.A., Mittal K., Dutta S., Pallarès J. Direct numerical simulation of turbulent dispersion of evaporative aerosol clouds produced by an intense expiratory event // Physics of Fluids. 2021. V. 33. P. 1–13. https://doi.org/10.1063/5.0045416

  8. Ghaem-Maghami E., Johari H. Concentration field measurements within isolated turbulent puffs // ASME. J. Fluids Eng. 2007. V. 129. P. 194–199. https://doi.org/10.1115/1.2409348

  9. Ахметов Д.Г. Вихревые кольца. Ин-т гидродинамики СО РАН. Новосибирск. Академ. изд-во “Гео”. 2007. 151 с.

  10. Никулин В.В. Массообмен между атмосферой турбулентного вихревого кольца и окружающей средой // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 4. С. 33–40. https://doi.org/10.31857/S0568528121040101

  11. Andriani R., Coghe A., Cossali G.E. Near-field entrainment in unsteady gas jets and diesel sprays: A comparative study // Symposium (International) on Combustion. 1996. V. 26. № 2. P. 2549–2556. https://doi.org/10.1016/s0082-0784(96)80087-7

  12. Kovasznay L.S.G., Fujita H., Lee R.L. Unsteady Turbulent Puffs // Adv. Geophys. 1975. V. 18. Part B. P. 253–263. https://doi.org/10.1016/S0065-2687(08)60584-1

  13. Richards J.M. Puff motions in unstratified surroundings // J. Fluid Mech. 1965. V. 21. № 1. P. 97–106. https://doi.org/10.1017/S002211206500006X

  14. Sangras R., Kwon O.C., Faeth G.M. Self-preserving properties of unsteady round nonbuoyant turbulent starting jets and puffs in still fluids // ASME. J. Heat Transfer. 2002. V. 124. № 3. P. 460–469. https://doi.org/10.1115/1.1421047

  15. Ghaem-Maghami E., Johari H. Velocity field of isolated turbulent puffs // Physics of Fluids. 2010. V. 22. P. 1–13. https://doi.org/10.1063/1.3504378

  16. Засимова М.А., Иванов Н.Г., Рис В.В. Нестационарная диффузия вирусных частиц в импульсной струе, формируемой в процессе кашля // XVI Минский международный форум по тепло- и массообмену. Тез. докл. и сообщений. Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова. 2022. С. 251–255.

  17. Zasimova M., Ris V., Ivanov N. CFD modelling of a pulsed jet formed during an idealized isolated cough // E3S Web of Conferences 2022. V. 356. P. 1–4. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202235605024

  18. Засимова М.А., Иванов Н.Г., Рис В.В. URANS и LES моделирование начальной стадии распространения каплесодержащей воздушной струи, характерной для острых респираторных явлений // М.: Изд. МЭИ. Материалы 8-ой РНКТ. 2022. Т. 1. С. 435–438.

  19. Pallarès J., Fabregat A., Lavrinenko A., et al. Numerical simulations of the flow and aerosol dispersion in a violent expiratory event: Outcomes of the “2022 International Computational Fluid Dynamics Challenge on violent expiratory events” // Physics of Fluids. 2023. V. 35. P. 1–22. https://doi.org/10.1063/5.0143795

  20. Yakhot V., Orszag S.A. Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory // Journal of Scientific Computing. 1986. V. 1. P. 3–51. https://doi.org/10.1007/BF01061452

  21. Yakhot V., Orszag S.A., Thangam S., Gatski T.B., Speziale C.G. Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique // Physics of Fluids. 1992. V. 4. P. 1510–1520. https://doi.org/10.1063/1.858424

  22. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. Пер. с англ. М.: изд-во “Мир”. 1973. 760 с.

  23. Glezer A., Coles D. An experimental study of a turbulent vortex ring // J. Fluid Mech. 1990. V. 211. P. 243–283. https://doi.org/10.1017/S0022112090001562

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Механика жидкости и газа

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал