Preview

Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки

Расширенный поиск

Переход к турбулентности после местной закрутки потока в трубе при умеренных числах Рейнольдса

https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.1.58-76

Аннотация

На основе физического эксперимента и прямого численного моделирования определены основные закономерности эволюции структуры закрученного течения в гладкой прямой трубе в диапазоне изменения числа Рейнольдса Re =240–1640. Закрутка потока выполнена при помощи лопаточного завихрителя. Проанализировано изменение степени закрутки, эволюции профилей продольной компоненты скорости потока и ее среднеквадратичных пульсаций с увеличением расстояния от завихрителя. Установлены значения числа Рейнольдса, при которых в исследуемом течении появляются признаки ламинарно-турбулентного перехода: интенсивный рост среднеквадратичных пульсаций скорости потока и появление перемежаемости в осциллограммах скорости. Выявлены и описаны физические механизмы турбулизации потока в окрестности оси трубы и ее пристеночной области.

Об авторах

В. М. Молочников
Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр РАН»; Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ
Россия

Валерий Михайлович Молочников, доктор технических наук, ведущий  научный сотрудник, Институт энергетики и перспективных технологий;

профессор

г. Казань



Н. Д. Пашкова
Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр РАН»; Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ
Россия

Наталья Дмитриевна Пашкова, аспирант, Институт энергетики и  перспективных технологий;

ассистент

г. Казань



Е. И. Калинин
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия

Евгений Игоревич Калинин, кандидат физико-математических наук, доцент

г. Казань



Г. Е. Чуприн
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ
Россия

Глеб Евгеньевич Чуприн, студент

г. Казань



Л. Р. Каюмова
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия

Лиана Радиковна Каюмова, студент

г. Казань



Список литературы

1. Lavan Z., Nielsen H., Fejer A.A. Separation and flow reversal in swirling flows in circular ducts // Phys. Fluids. 1969. V. 12, No 9. P. 1747–1757. https://doi/org/10.1063/1.1692738.

2. Dennis D.J.C., Seraudie C., Poole R.J. Controlling vortex breakdown in swirling pipe flows: Experiments and simulations // Phys. Fluids. 2014. V. 26, No 5. Art. 053602. https://doi.org/10.1063/1.4875486.

3. Banihashemi S., Reza Assari M., Javadi S., Vahidifar S. Experimental study of the effect of disk obstacle rotating with different angular ratios on heat transfer and pressure drop in a pipe with turbulent flow // J. Therm. Anal. Calorim. 2021. V. 144, No 4. P. 1401–1416. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09653-4.

4. Eiamsa-ard S., Rattanawong S., Promvonge P. Turbulent convection in round tube equipped with propeller type swirl generators // Int. Commun. Heat Mass Transfer. 2009. V. 36, No 4. P. 357–364. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2009.01.007.

5. Duangthongsuk W., Wongwises S. An experimental investigation of the heat transfer and pressure drop characteristics of a circular tube fitted with rotating turbine-type swirl generators // Exp. Therm. Fluid Sci. 2013. V. 45. P. 8–15. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.09.009.

6. G¨ul H. Enhancement of heat transfer in a circular tube with tangential swirl generators // Exp. Heat Transfer. 2006. V. 19, No 2. P. 81–93. https://doi.org/10.1080/08916150500318422.

7. Guo H.-F., Xu B.-G., Yu C.-W., Li S.-Y. Simulating the motion of a flexible fiber in 3D tangentially infected swirling airflow in a straight pipe – effects of some parameters // Int. J. Heat Mass Transfer. 2011. V. 54, Nos 21–22. P. 4570–4579. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.06.021.

8. Sivashanmugam P., Suresh S. Experimental studies on heat transfer and friction factor characteristics of turbulent flow through a circular tube fitted with regularly spaced helical screw-tape inserts // Appl. Therm. Eng. 2007. V. 27, Nos 8–9. P. 1311–1319. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.10.035.

9. Liu S., Sakr M. A comprehensive review on passive heat transfer enhancements in pipe exchangers // Renewable Sustainable Energy Rev. 2013. V. 19. P. 64–81. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.11.021.

10. Rocha A.D., Bannwart A.C., Ganzarolli M.M. Numerical and experimental study of an axially induced swirling pipe flow // Int. J. Heat Fluid Flow. 2015. V. 53. P. 81–90. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2015.02.003.

11. Ha H., Hwang D., Choi W.-R., Baek J., Lee S.J. Fluid-dynamic optimal design of helical vascular graft for stenotic disturbed flow // PLoS One. 2014. V. 9, No 10. Art. e111047. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0111047.

12. Агафонов А.В., Талыгин Е.А., Бокерия Л.А., Городков А.Ю. Гидродинамические особенности закрученного потока крови в левых отделах сердца и аорте // Acta Naturae (русскоязычная версия). 2021. Т. 13, № 4. С. 4–16.

13. Rocklage-Marliani G., Schmidts M., Vasanta Ram V.I. Three-dimensional laser-Doppler velocimeter measurements in swirling turbulent pipe flow // Flow, Turbul. Combust. 2003. V. 70, No 1. P. 43–67. https://doi.org/10.1023/B:APPL.0000004913.82057.81.

14. Talbot L. Laminar swirling pipe flow // J. Appl. Mech. 1954. V. 21, No 1. P. 1–7. https://doi.org/10.1115/1.4010810.

15. Kiya M., Fukusako S., Arie M. Laminar swirling flow in the entrance region of a circular pipe // Bull. JSME. 1971. V. 14, No 73. P. 659–670. https://doi.org/10.1299/jsme1958.14.659.

16. Yu S.C.M., Kitoh O. A general formulation for the decay of swirling motion along a straight pipe // Int. Commun. Heat Mass Transfer. 1994. V. 21, No 5. P. 719–728. https://doi.org/10.1016/0735-1933(94)90073-6.

17. Ayinde T.F. A generalized relationship for swirl decay in laminar pipe flow // Sadhana. 2010. V. 35, No 2. P. 129–137. https://doi.org/10.1007/s12046-010-0018-9.

18. Yao S., Fang T. Analytical solutions of laminar swirl decay in a straight pipe // Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 2012. V. 17, No 8. P. 3235–3246. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2011.11.038.

19. Beaubert F., P´alson H., Lalot S., Choquet I., Bauduin H. Fundamental mode of freely decaying laminar swirling flows // Appl. Math. Model. 2016. V. 40, Nos 13–14. P. 6218–6233. https://doi.org/10.1016/j.apm.2016.02.002.

20. Pourhoseini S.H., Asadi R. An experimental study of optimum angle of air swirler vanes in liquid fuel burners // J. Energy Resour. Technol. 2017. V. 139, No 3. Art. 032202. https://doi.org/10.1115/1.4035023.

21. Aghakashi V., Saidi M.H. Turbulent decaying swirling flow in a pipe // Heat Transfer Res. 2018. V. 49, No 16. P. 1559–1585. https://doi.org/10.1615/HeatTrans Res. 2018021519.

22. Bottaro A., Ryhming I.L., Wehrli M.B., Rys F.S., Rys P. Laminar swirling flow and vortex breakdown in a pipe // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1991. V. 89, Nos 1–3. P. 41–57. https://doi.org/10.1016/0045-7825(91)90036-6.

23. Mikheev N.I., Dushin N.S. A method for measuring the dynamics of velocity vector fields in a turbulent flow using smoke image-visualization videos // Instrum. Exp. Tech. 2016. V. 59, No 6. P. 882–889. https://doi.org/10.1134/S0020441216060063.

24. Pearson R.A. Consistent boundary conditions for numerical models of systems that admit dispersive waves // J. Atmos. Sci. 1974. V. 31, No 6. P. 1481–1489. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1974)031<1481:CBCFNM>2.0.CO;2.

25. Raj R.T.K., Ganesan V. Study on the effect of various parameters on flow development behind vane swirlers // Int. J. Therm. Sci. 2008. V. 47, No 9. P. 1204–1225. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2007.10.019.

26. McDonough J.M. Introductory Lectures on Turbulence: Physics, Mathematics and Modeling. Mechanical Engineering Textbook Gallery. Univ. of Kentucky, 2007. iv, 174 p.

27. Durst F., Unsal B. ¨ Forced laminar-to-turbulent transition of pipe flows // J. Fluid Mech. 2006. V. 560. P. 449–464. https://doi.org/10.1017/S0022112006000528.

28. Uruba V. Turbulence Handbook for Experimental Fluid Mechanics Professionals. Skovlunde: Dantec Dyn., 2012. 148 p.

29. Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика в полях массовых сил: обзор работ, выполненных в ИТТФ НАН Украины // Пром. теплотехн. 2011. Т. 33, № 6. С. 11–25.


Рецензия

Для цитирования:


Молочников В.М., Пашкова Н.Д., Калинин Е.И., Чуприн Г.Е., Каюмова Л.Р. Переход к турбулентности после местной закрутки потока в трубе при умеренных числах Рейнольдса. Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки. 2026;168(1):58-76. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.1.58-76

For citation:


Molochnikov V.M., Pashkova N.D., Kalinin E.I., Chuprin G.E., Kayumova L.R. Transition to turbulence in pipe flows with local swirling at moderate Reynolds numbers. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. 2026;168(1):58-76. (In Russ.) https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.1.58-76



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2541-7746 (Print)
ISSN 2500-2198 (Online)