Direkte numerische Simulation eines laminarer Wirbelrings

Es werden Ergebnisse direkter numerischer Simulationen (DNS) eines viskosen, laminarer Rings präsentiert. Die Effekte verschiedener Generator-Konfigurationen und Geschwindigkeitsprogramme auf die Bildung und die nachfolgend charakteristischen Eigenschaften des Rings werden untersucht. Es wird gezeigt, dass während der Bildungsphase des Rings die gesamte Zirkulation und der Impuls im Strömungsfeld für die „Düse“ und „Orifice“-Generatoren etwa gleich sind. Es wurde auch festgestellt, dass das Modell des Schlammstroms während dieses Zeitraums die gesamte Zirkulation in der Strömung unterschätzt. Während der Bildungsphase stimmen die Simulationsresultate für die zeitliche Entwicklung der gesamten Zirkulation und den Standort des Wirbelspiralmittels mit den experimentellen Ergebnissen von Didden J. Appl. Mech. Phys. (ZAMP) 30, 101 (1979) überein. Die Ergebnisse der Strömungsvisualisierungsstudien zeigen, dass während der Nachbildungsphase eine Wirbelblase gebildet wird. Während sich die Blase vorwärts bewegt, entsteht ein Nachlauf hinter der Blase. Der Impuls und die Vortizität der Blase werden kontinuierlich in diesen Nachlauf abgegeben. Es wurde festgestellt, dass der Gesamtwert der Zirkulation in der Strömung variiert als (t1*)−0,33, was mit Maxworthy’s J. Fluid Mech. 81, 465 (1977) Vorhersage des Zirkulationsverfalls für einen Wirbelring übereinstimmt. Der Transport einer passiven Shvab-Zeldovich-Skalargröße wird verwendet, um das Mischen zu studieren und die maximale Produktbildung in einer chemischen Reaktion des Typs A+B→Produkte in einem Wirbelring zu erhalten. Es wurde festgestellt, dass, während die Blase, die den Brennstoff enthält, sich vorwärts bewegt, die äußere Oxidatorströmung in sie verwickelt wird und reagiert, um ein Produkt zu bilden. Ein Teil dieses Produkts wird dann in den Nachlauf der Blase abgestoßen.