hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2024.17(4)-4hydrophysics-1381Research ArticleГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫHYDROPHYSICAL AND BIOGEOCHEMICAL FIELDS AND PROCESSESЧисленное и физическое моделирование генерации и эволюции вихревых колец в крупномасштабном гидрофизическом бассейнеNumerical and physical modeling of generation and evolution of vortex rings in a large-scale hydrophysical water tankМонаховР. Ю.MonakhovR. Yu.

Монахов Роман Юрьевич, ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук

117997, Нахимовский проспект, д. 36, г. Москва

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow, 117997

monakhov-62@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2377-5621РодионовА. А.RodionovA. A.

Родионов Анатолий Александрович, руководитель научного направления «Фундаментальная и прикладная гидрофизика», член-корреспондент РАН, профессор

Scopus AuthorID: 56223713100, WoS ResearcherID: AAT-6466-2021

117997, Нахимовский проспект, д. 36, г. Москва

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow, 117997

rodionov.aa@spb.ocean.ruКапрановИ. Е.KapranovI. Ye.

Капранов Илья Евгеньевич, ведущий инженер по расчетам, кандидат технических наук

РИНЦ AuthorID: 546230

197760, ул. Макаровская, д. 2, литера Л, вн. тер. г. Кронштадт, г. Санкт-Петербург

2, liter. L, Makarovskaya Str., in. ter. city of Kronstadt, St. Petersburg, 197760

mrkap@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3638-3253ШпилевН. Н.ShpilevN. N.

Шпилев Николай Николаевич, научный сотрудник

117997, Нахимовский проспект, д. 36, г. Москва

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow, 117997

nn.shpilev@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9770-0841ЯковчукМ. С.YakovchukM. S.

Яковчук Михаил Сергеевич, доцент, кандидат технических наук

Scopus AuthorID: 57039066300

190005, ул. 1-я Красноармейская, д.1, г. Санкт-Петербург

1 1st Krasnoarmeyskaya Str., St. Petersburg, 190005

mjakovchuk@mail.ruИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian FederationАО «Инжиниринговый центр «Кронштадт»»РоссияJSC Engineering Center “Kronstadt”Russian FederationБГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. УстиноваРоссияBaltic State Technical University “VOENMEH” named after D.F. UstinovRussian Federation2024100120251745570Copyright © Монахов Р.Ю., Родионов А.А., Капранов И.Е., Шпилев Н.Н., Яковчук М.С., 20252025Монахов Р.Ю., Родионов А.А., Капранов И.Е., Шпилев Н.Н., Яковчук М.С.Monakhov R.Y., Rodionov A.A., Kapranov I.Y., Shpilev N.N., Yakovchuk M.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1381

Статья посвящена исследованиям процесса генерации и эволюции вихревых колец, формирующихся в водной среде при выбросе струи воды в затопленный объем. Представлены расчётные данные по известным из литературы соотношениям, а также результаты моделирования по вновь созданной методике. Обоснованы характеристики генератора вихревых колец в составе моделирующего стенда, созданного на базе крупномасштабного гидрофизического бассейна. Экспериментальные исследования проводились в условиях температурной стратификации среды и с разницей температур воды струи и бассейна. Результаты экспериментов по формированию и движению вихревых колец удовлетворительно соответствуют расчетным данным. При этом влияние сформированной в бассейне стратификации на характеристики вихревых колец оказалось незначительным. Выявлено существенное влияние безразмерной длины струи на основные характеристики вихревых колец и разницы между температурой воды на горизонте их формирования и температурой струи на траекторию движения колец.

The article focuses on the study of vortex ring generation and evolution in aquatic environments resulting from the discharge of a water jet into a flooded volume. It presents computational data based on well-known relationships from the literature, as well as results from simulations using a newly developed methodology. The characteristics of the vortex ring generator within the experimental setup, created using a large-scale hydrophysical water tank, are justified. Experimental studies were conducted under conditions of thermal stratification of the medium, with a temperature difference between the water jet and the tank. The experimental results on vortex ring formation and motion show good agreement with the computational data. The influence of the thermal stratification in the water tank on the vortex ring characteristics was found to be negligible. A significant effect of the dimensionless jet length on the key characteristics of the vortex rings was observed, along with the temperature differences between the water layer at the formation horizon and the jet, impacting the rings’ trajectory.

вихревые кольцавихревая динамикаструифизический экспериментvortex ringsvortex dynamicsjetsphysical experimentРабота выполнена в рамках темы государственного задания FMWE-2024-0029.The work was performed under the State assignment FMWE-2024-0029.ReferencesВладимиров В.А., Тарасов В.Ф. Формирование вихревых колец // Известия СО АН СССР. Серия технических наук. 1980. № 3, вып. 1. С. 3–11.Vladimirov V.A., Tarasov V.F. The formation of vortex rings. Izvestiya. SB AN USSR. Seria Technicheskih Nauk. 1980;3(1):3–11. (in Russian).Вуд Р. Вихревые кольца // Библиотечка «КВАНТ» выпуск 4. Опыты в домашней лаборатории. М., Наука: Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1981. С. 13.Wood R. Vortex Rings. Library “QUANTUM” issue 4. Experiments in a home laboratory. M.: Nauka; Gl. ed. Phys. mat. lit. 1981. P. 13. (in Russian).Бебиева Я.С. Формирование затопленных струй при различных начальных условиях // Альманах современной науки и образования, Тамбов, «Грамота», 2011. № 12 (55). C. 25–27.Bebieva Ya.S. Formation of flooded jets under various initial conditions. Almanac of Modern Science and Education. Tambov: Gramota; 2011. № 12 (55). P. 25–27. (in Russian)Мелешко В.В., Константинов М.Ю. Динамика вихревых структур // Киев: Наукова думка, 1993. С. 72–221.Meleshko V.V., Konstantinov M. Yu. Dynamics of vortex structures. Kiev: Naukova dumka; 1993. P. 72–221 (In Russian).Тарасов В.Ф. Оценка некоторых параметров турбулентного вихревого кольца // Динамика сплошной среды: Сб. науч. тр. / АН СССР. СО. Институт гидродинамики. 1973. Вып. 14. С. 120–127.Tarasov V.F. Evaluation of some parameters of a turbulent vortex ring // Dynamics of a continuous medium: Collection of scientific Tr. / USSR Academy of Sciences. Siberian Branch. Institute of Hydrodynamics. 1973;14:120–127 (In Russian).Тесленко В.С., Дрожжин А.П., Медведев Р.Н. Генерация кавитационных вихревых колец в воде // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2014. № 1 (14). С. 71–74.Teslenko V.S., Drozhzhin A.P., Medvedev R.N. Generation of cavitation vortex rings in water. Modern Science: Research, Ideas, Results, Technologies. 2014;1(14):71–74 (In Russian).Шмыглевский Ю.Д., Щепров А.В. Об осесимметричных вихревых образованиях в вязкой жидкости // Журнал вычислительно математики и математической физики. 1995. Т. 35, № 3. С. 472–478.Shmyglevsky Yu.D., Shcheprov A.V. Axisymmetric vortex formations in a viscous liquid. Computational Mathematics and Mathematical Physics. 1995;35(3):379–382.Ja’fari M., Shojae F.J., Jaworski A.J. Synthetic jet actuators: Overview and applications // International Journal of Thermofluids. 2023. Vol. 20. P. 100438. doi:10.1016/j.ijft.2023.100438Ja’fari M., Shojae F.J., Jaworski A.J. Synthetic jet actuators: Overview and applications. International Journal of Thermofluids. 2023;20:100438. doi:10.1016/j.ijft.2023.100438Zhou J., Tang H., Zhong S. Vortex Roll-Up criterion for synthetic jets // AIAA Journal. 2009. Vol. 47, N 5. doi:10.2514/1.40602Zhou J., Tang H., Zhong S. Vortex Roll-Up criterion for synthetic jets. AIAA Journal. 2009;47(5). doi:10.2514/1.40602Barton L. Smith, David J. Nani. Effect of orifice shape on synthetic efficiency. UTAH STATE UNIVERSITY, Logan, Utah, 2012.Barton L. Smith, David J. Nani. Effect of orifice shape on synthetic efficiency. UTAH STATE UNIVERSITY, Logan, Utah, 2012.Jabbal M., Tang H., Zhong S. The effect of geometry on the performance of synthetic jet actuators // Conference: 25th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences (ICAS2006), At: Hamburg, Germany, September 2006.Jabbal M., Tang H., Zhong S. The effect of geometry on the performance of synthetic jet actuators. Conference: 25th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences (ICAS2006), At: Hamburg, Germany, September 2006.Tang H., Zhong S. Incompressible flow model of synthetic jet actuator // AIAA Journal. 2006, Vol. 44, N 4, P. 908–912. doi:10.2514/1.15633Tang H., Zhong S. Incompressible flow model of synthetic jet actuator. AIAA Journal. 2006;44(4):908–912. doi:10.2514/1.15633Gharib M., Rambod E., Shariff K. A universal time scale for vortex ring formation // Journal of Fluid Mechanics. 1998. Vol. 360. P. 121–140. doi:10.1017/S00221120970084107Gharib M., Rambod E., Shariff K. A universal time scale for vortex ring formation Journal of Fluid Mechanics. 1998;360:121–140. doi:10.1017/S0022112097008410Xiong D., Zhixun X., Zhenbing L., Lin W. A novel optimal design for an application-oriented synthetic jet actuator // Chinese Journal of Aeronautics. 2014. 27(3) P. 514–520. doi:10.1016/j.cja.2014.04.002Xiong D., Zhixun X., Zhenbing L., Lin W. A novel optimal design for an application-oriented synthetic jet actuator. Chinese Journal of Aeronautics. 2014;27(3):514–520. doi:10.1016/j.cja.2014.04.002Ганеев Р.А., Хафизов И.Ф., Бакиров И.К., Зарипова Л.Х. Исследование вихревых потоков жидкости для повышения эффективности приборов пожаротушения // Нефтегазовое дело. 2022. № 6. С. 30–43. doi:10.17122/ogbus-2022-6-30-43Ganeev R.A., Hafizov I.F., Bakirov I.K., Zaripova L.H. Investigation of vortex fluid flows to increase the efficiency of fire extinguishing devices. Oil and Gas Business. 2022;6:30–43. doi:10.17122/ogbus-2022-6-30-43 (in Russian).Гущин В.А., Матюшин П.В. Механизм образования вихрей в следе за сферой для диапазона 200 < Re < 380 // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2006. № 5. С. 135–151.Gushchin V.A., Matyushin P.V. Vortex formation mechanisms in the wake behind a sphere for 200 < RE < 380. Fluid Dynamics. 2006;41(5):795–809. doi:10.1007/s10697-006-0096-xГущин В.А., Матюшин П.В. Математическое моделирование пространственных течений несжимаемой жидкости // Математическое Моделирование. 2006. Т. 18, № 5. С. 5–20.Gushchin V.A., Matyushin P.V. Mathematical modelling of the 3D incompressible fluid flows. Mathematical Models and Computer Simulations. 2006;18(5): 5–20 (In Russian).Дудоладов И.В., Таганов Г.И. Объединение вихревых образований в плоском течении несжимаемой жидкости // Ученые записки ЦАГИ. 1977. Т. VIII, № 4. С. 29–33.Dudoladov I.V., Taganov G.I. Unification of vortex formations in a flat incompressible fluid flow. Scientific Notes of TsAGI. 1977; VIII(4):29–33 (in Russian).Кистович А.В., Чашечкин Ю.Д. Регулярные и сингулярные компоненты периодических движений в толще жидкости // Прикладная математика и механика. 2007. Т. 71, Вып. 5. С. 844–854.Kistovich A.V., Chashechkin Yu.D. Regular and singular components of periodic of flows in the fluid interior. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2007;71(5):762–771.Луговцов Б.А. Турбулентные вихревые кольца // Динамика сплошной среды: Сб. науч. тр. / АН СССР. СO Институт гидродинамики. 1979. Вып. 38. С. 71–88.Lugovtsov B.A. Turbulent vortex rings. Dynamics of a continuous medium: Collection of scientific tr. USSR Academy of Sciences. Siberian Branch. Institute of Hydrodynamics. 1979;38:71–88 (In Russian).Пиралишвили Ш.А., Веретенников С.В., Тряпина В.А. Визуализация структуры течения в противоточной вихревой трубе // Тепловые процессы в технике. 2023. Т. 15, № 10. С. 439–447Piralishvili Sh.A., Veretennikov S.V., Tryapina V.A. Flow structure visualization in the reverse-flow vortex tube. Thermal Processes in Engineering. 2023;15(10):439–447 (In Russian).Чашечкин Ю.Д., Байдулов В.Г., Бардаков Р.Н., Васильев А.Ю., Кистович А.В., Миткин В.В., Прохоров В.Е., Степанова Е.В. Механика свободных стратифицированных течений // Препринт ИПМех РАН № 876. М.: ИПМех РАН. 2008. 127 с.Chashechkin Yu.D., Baidulov V.G., Bardakov R.N., Vasiliev A. Yu., Kistovich A.V., Mitkin V.V., Prokhorov V.E., Stepanova E.V. Mechanics of free stratified flows. Preprint IPMeh RAS No. 876. M.: IPMeh RAS; 2008. 127 p. (In Russian).Ахметов Д.Г. Модель формирования вихревого кольца // Прикладная механика и техническая физика. 2008. Т. 49, № 6(292). С. 909–918.Akhmetov D.G. Model of vortex ring formation. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2008;49(6):909–918. doi:10.1007/s10808-008-0113-4Ахметов Д.Г. Формирование и основные параметры вихревых колец // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т. 42, № 5(262). С. 70–83.Akhmetov D.G. Formation and basic parameters of vortex rings. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2001;42(5):794–805.Ахметов Д.Г., Тарасов В.Ф. О структуре и эволюции вихревых ядер // Прикладная механика и техническая физика. 1986. Т. 27, № 5. С. 68–73.Akhmetov D.G., Tarasov V.F. On the structure and evolution of vortex nuclei. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 1986;27(5):68–73.Ахметов Д.Г. Вихревые кольца. Новосибирск: Гео, 2007. 151 с.Akhmetov D.G. Vortex rings. Novosibirsk: Geo; 2007. 151 p. (in Russian).Волков К.Н. Методы визуализации вихревых течений в вычислительной газовой динамике и их применение при решении прикладных задач // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 3 (91).Volkov K.N. Methods of visualization of vortex flows in computational gas dynamics and their application in solving applied problems. Scientific and Technical Bulletin of information Technologies, Mechanics and Optics. 2014;3(91). (in Russian).Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М, 2008. 368 с.Volkov K.N., Yemelyanov V.N. Modeling of large vortices in calculations of turbulent flows. M., 2008. 368 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.