Дружинин О.А.
 Статья на сайте eLibrary

Прямым численным моделированием (Direct Numerical Simulation, DNS) исследуется вихревая структура приповерхностного водного слоя, насыщенного воздушными пузырьками, при наличии стационарной поверхностной волны. Рассматриваются волна с длиной 15 см и крутизной 0,2 (амплитудой около 0,5 см) и пузырьки с диаметром 400 мкм (микропузырьки). Полные трёхмерные уравнения движения водной среды (Навье-Стокса) решаются методом DNS одновременно с уравнениями движения отдельных пузырьков с учётом их воздействия на несущее течение. Под влиянием поверхностной волны течение в приповерхностном слое становится турбулентным и характеризуется наличием вихревых структур, вытянутых вдоль направления распространения волны. Для анализа вихревой структуры течения вычисляется тензор мгновенного градиента поля скорости и определяются его комплексные собственные значения, мнимая часть которых характеризует локальную завихренность течения, отфильтровывая вклад чисто сдвиговой компоненты (вихревой пелены). Средние профили собственных значений и флуктуаций, полученные на стадии статистически-стационарного течения, показывают, что под влиянием пузырьков происходит усиление мелкомасштабных вихрей и турбулентных пульсаций в водной среде.

На английском языке
On the influence of microbubbles on the turbulence induced by a surface wave
Druzhinin O.A.

We use the Direct Numerical Simulation (DNS) method to study the vortex structure of the near-surface water layer, which is saturated with air bubbles, in the presence of a stationary surface wave. A wave with a length of 15 cm and a steepness of 0.2 (an amplitude of about 0.5 cm) and bubbles 400 μm in diameter (microbubbles) are considered. Complete three-dimensional fluid motion equations (Navier-Stokes equations) are solved by the DNS method simultaneously with the equations for the motion of individual bubbles with account for their influence on the carrier flow. Under the influence of the surface wave, the flow in the near-surface layer becomes turbulent and characterized by the presence of vortex structures stretched along the wave propagation direction. To analyze the vortex structure of the flow, the tensor of the instantaneous gradient of the velocity field is calculated, and its complex eigenvalues, whose imaginary part characterizes the local vorticity of the flow, are calculated, while filtering off the contribution of the purely shear component (vortex sheet). Average profiles of the eigenvalues and the fluctuations, which are obtained at the state of the statistically stationary flow, show that the influence of the bubbles lead to intensification of small-scale vortices and turbulent pulsations in water.

DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2023_66_02_122