Необходимость развития моделей и методов расчета нестационарных течений газа и жидкости с концентрированной завихренностью обусловливается широким распространением такого рода течений в природе и технике.
Рассматривается численное моделирование формирования вихревого кольца, его распространения и взаимодействия с плоской преградой, ориентированной по нормали к направлению перемещения кольца. Обсуждается построение модели виртуального генератора вихревых колец и выбор комплекса параметров, описывающих генерирующий импульс (продолжительность импульса и его амплитуда).
Расчетная область состоит из внутренней области генератора вихревых колец и область внешнего пространства за его срезом, в которой происходит формирование и движение вихревого кольца.
Для численных расчетов применяются нестационарные уравнения Навье–Стокса в осесимметричной постановке, для дискретизации которых используется метод конечных объемов.
Для моделирования течения, образующегося при движении поршня в трубе,
на левом торце генерирующей трубки используются нестационарные граничные условия, описывающие изменение массового расхода во времени.
Приводятся распределения давления по преграде и изменение продольной силы, действующей на преграду, во времени, а также изменение характеристик вихревого кольца при его взаимодействии с преградой.
Результаты численных расчетов сравниваются с данными физического эксперимента. Приводится качественная картина течения, возникающего при приближении вихревого кольца к стенке, а также обсуждаются ключевые особенности потока и критические точки, которые формируются при взаимодействии вихревого кольца со стенкой.
The need to develop models and methods for calculating unsteady gas and fluid flows with concentrated vorticity is determined by the wide distribution of such flows in nature and technology.
Numerical simulation of the formation of a vortex ring, its propagation and interaction with a flat target oriented normal to the direction of movement of the ring is considered.
The construction of a model of a virtual generator of vortex rings and the choice of a set of parameters describing the generating pulse (pulse duration and its amplitude) are discussed.
The computational domain consists of the internal region of the vortex ring generator and the external space region behind its outlet, in which the formation and movement of the vortex ring occurs.
For numerical calculations, unsteady Navier–Stokes equations in an axisymmetric formulation are used, for discretization of which the finite volume method is applied.
To simulate the flow generated by the movement of the piston in the tube, unsteady boundary conditions are used at the outlet of the generating tube, describing the distribution of mass flow rate over time.
The distribution of pressure over the target and the change in the longitudinal force acting on the target over time, as well as the change in the characteristics of
the vortex ring during its interaction with the target are given.
The results of numerical calculations are compared with the data of a physical experiment. A qualitative pattern of the flow that occurs when a vortex ring approaches a wall is presented, and the key features of the flow and critical points that are formed during the interaction of the vortex ring with the wall are discussed.
