Визуализация потоков в каналах

С. Л. Деменок, В. В. меДВеДеВ, С. м. СиВуха

Визуализация  
потокоВ В каналах

СТРаТа 

Санкт-Петербург
2018

УДК 532.546:536.24
ББК 30.124:31.31
Д30

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А. Н. Дядик,
доктор технических наук, профессор Б. А. Тихомиров

Д30 
Деменок С. Л., Медведев В. В., Сивуха С. М. 
Визуализация потоков в каналах: монография. – СПб.: 
Страта, 2018. – 198 с.

ISBN 978-5-6040743-9-8

В монографии рассмотрены вопросы, связанные с применением результатов визуализации течений оптически активной жидкости в каналах теплообменных и технологических устройств и аппаратов. Приведены фотографии 
картин течения. Особое внимание уделено разработке моделей потенциального течения несжимаемой жидкости и их анализу на основе результатов 
визуализации потоков. На основании проведенных экспериментальных исследований и данных других авторов рассмотрены примеры использования 
результатов визуализации для профилирования стенок каналов различных 
аппаратов и устройств.
Предназначена для специалистов, занимающихся решением теоретических и прикладных задач по гидродинамике, тепло- и массообмену.

Ил. 64. Табл. 8. Библиогр.: 33 назв.

ISBN 978-5-6040743-9-8
©   Деменок С. Л., 2018
 ©  Медведев В. В., 2018
                                                   ©  Сивуха С. М., 2018
©   ООО «Страта, 2018

СоДеРжание

ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

ГЛАВА I. 
Оптически активная жидкость. Описание процесса  
визуализации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1. История вопроса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2. Выбор оптически активной жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3. Свойства водного раствора пентаксида ванадия . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4. Методика исследования картины движения жидкости . . . . . . . . . . 27
1.5. Описание стенда по визуализации потоков и принцип его работы 32

ГЛАВА II.  
Примеры использования модели потенциального  
течения несжимаемой жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1. Течение в диффузорах, конфузорах и каналах с волнообразными 
стенками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1. Исходные уравнения и их решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.2. Плоский потенциальный поток в канале с волнообразными 
стенками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.3. Осесимметричный потенциальный поток в канале  
с волнообразными стенками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.1.4. Плоский и осесимметричный потоки в канале  
с монотонно расходящимися и сходящимися границами  . . . . . 50
2.1.5. Плоский и осесимметричный потоки в каналах  
с заданным распределением скоростей в их входных сечениях 57
2.1.6. Связь между характеристиками плоского  
и осесимметричного каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2. Течение потока охлаждающего воздуха в носовой части дефлекторной 
лопатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.1. Постановка задачи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.2. Наложение прямолинейно-поступательного потока на плоский 
источник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.2.3. Рекомендации по конструированию носка дефлектора  . . . . . 71
2.3. Течение пристенной струи, вытекающей  
в ограниченное пространство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.1. Постановка задачи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.2. Расчет границы плоской струи, вытекающей  
в ограниченное пространство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

ГЛАВА III.  
Примеры использования результатов визуализации  
течений в каналах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1. Обтекание шаров и шаровых укладок в каналах  . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2. Профилирование тройников и отводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3. Профилирование каналов первичных  
преобразователей расхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.4. Профилирование подводящих и отводящих каналов . . . . . . . . . . 109

ГЛАВА IV. 
Вычислительная  
гидродинамика  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1. Краткая история . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2. Основные принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.1. Основные уравнения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3. Исследования HTRI с применением CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.4. Программное обеспечение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.5. Исследования олуненных поверхностей  
методами CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.5.1. Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.5.2. Постановка задачи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.5.3. Вычислительные сетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.5.4. Результаты вычислительных экспериментов . . . . . . . . . . . . . 139
4.6. Исследования CALGAVIN внутритрубных интенсификаторов. . 151
4.7. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

AFTERWORD  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Приложение 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Примеры визуализации потоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Приложение 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Визуализация течения в насыпных сборках . . . . . . . . . . . . . . . 169
Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Торцевые эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Об устойчивости течения в каналах сборки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Работа входного устройства монокассетного реактора . . . . . . . . . . . . 177

Визуализация потенциальных потоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Приложение 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Предварительные сведения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Получение линий тока на приборе Хил-Шоу . . . . . . . . . . . . . . 185

Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

ПРеДиСЛоВие

Монография «Визуализация потоков в каналах» авторов 
С. Л. Деменка, В. В. Медведева и С. М. Сивухи посвящена рассмотрению возможностей, которые представляют исследователям замечательные методы прямого обнаружения и раскрытия 
тайн, зачастую сопровождающих движение жидкостей, не всегда соответствующих их умозрительным представлениям. Визуализация течений жидкости является уникальным достижением экспериментальной гидродинамики.
Творческая деятельность требует наличия у исследователя 
умственных способностей, интуиции, любознательности, вдохновения, желания обогащать себя новыми знаниями и много чего 
еще. Процессу познания особенностей многих явлений часто 
способствует подключение соответствующих органов чувств, 
главным из которых, пожалуй, является зрение. Недаром в народе говорят, — « лучше один раз увидеть…».
Ранее прекрасная демонстрация возможности использования 
визуализации течений жидкости для стимуляции через зрение 
способности увидеть подтверждение или опровержение гипотез, 
обнаружение новых особенностей поведения жидкости и т. д. 
была осуществлена М. Ван-Дайком, опубликовавшим «Альбом 
течений жидкостей и газов».
В данной монографии диапазон рассматриваемых методов 
визуализации существенно расширен и распространен, в том 

Визуализация потокоВ В каналах

6

числе, на турбулентные потоки. Монография содержит подробное обоснование различных аспектов применения визуализации потоков жидкости, в том числе с приведением многих 
полезных рекомендаций, предостережений и анализов полученных результатов.
Появление данной книги восполнит имеющийся дефицит 
в специализированной научной литературе и будет полезно как 
для учащейся молодежи, так и для научных работников, специализирующихся на решении сложных задач, связанных с течениями жидкостей.
Многие иллюстрации течений жидкости, подученные в результате использования методов визуализации, могут озадачить и пробудить интерес к глубокому изучению гидродинамики у любознательной части студентов, аспирантов и научных 
работников.
Материалы монографии могут также использоваться при преподавании курсов «Гидравлика» и «Механика жидкости и газов».

Профессор, доктор технических наук,
Заслуженный деятель науки и техники РСФСР 
Высоцкий Л. И.

ВВеДение 

В этой книге рассматривается визуализация течения в каналах. В ней собраны фотографии разных гидродинамических 
явлений, но основное внимание уделено вопросам обеспечения безвихревого течения в проточных частях теплообменных 
аппаратов и энергетического оборудования. Снижение потерь 
энергии на вихреобразование повышает энергетическую эффективность указанных объектов и позволяет осуществить процесс 
энергосбережения. Авторы также признают важное место вихревых и отрывных течений в процессе интенсификации теплообмена, поэтому в книге приведены фотографии и таких потоков. 
Как справедливо указано в предисловии редакторов перевода 
альбома течений жидкости и газа [1], фотографии потоков могут 
с успехом применяться как в учебном процессе, когда поднимается уровень понимания обучающихся важнейших моментов 
гидродинамических теорий и моделей и формируется гидродинамическая интуиция, так и в работе зрелых специалистов, 
для которых фотографии являются поводом задуматься над новыми исследованиями. Полученные модели потоков и результаты их визуализации могут быть распространены на широкий 
класс технических решений. С середины 1980-х годов изучение 
гидродинамики потоков в проточных частях энергетических 
машин и оборудования велось на кафедре Теплофизических основ судовой энергетики Ленинградского кораблестроительного 

Визуализация потокоВ В каналах

8

института (ЛКИ) под руководством профессоров Э. Г. Нарежного, Н. Н. Сунцова и доцента Б. В. Сударева. Авторы, в то время 
аспиранты, проводили теоретические и экспериментальные исследования, которые легли в основу настоящей книги.
Следует отметить, что также в ЛКИ визуализация течений 
в судовых трубопроводах проводилась под руководством профессора М. Г. Гуськова в лаборатории судовых систем, в частности, часть исследований выполнил Л. А. Федосеев, которому 
авторы признательны за предоставление использованных в монографии фотографий потоков в трубопроводе типа тройника.
В первой главе монографии приведена историческая справка об изучении оптически активных жидкостей (ОАЖ) и рассмотрены вопросы, связанные с выбором таких жидкостей, 
их свойствами, методикой исследования картин движения жидкости. Приведено описание стенда по визуализации потоков 
и принципа его работы, а также его модификации, позволяющей получать количественные данные о поле скоростей жидкости в исследуемых каналах. Показаны примеры визуализации 
потоков.
Вторая глава монографии посвящена рассмотрению вопросов теоретического описания гидродинамики течения в каналах. В частности, определены составляющие и потенциалы 
скоростей, а также функции тока для плоских и осесимметричных потоков в каналах с волнообразными и монотонно расходящимися и сходящимися стенками. Показана возможность корректного переноса характеристик плоских каналов, удобных 
для визуализации, на осесимметричные. Рассмотрены течения 
в носовой части дефлекторной лопатки и во внутренней полости лопатки с поперечными перегородками.
В третьей главе монографии приведены примеры технических 
устройств, спроектированных с учетом или на основе результатов визуализации потоков в их проточных частях или каналах.
В настоящее время существует значительное количество различных методов визуализации течения жидкости, применяемых 
исследователями. Предлагается краткий обзор некоторых из них.

Введение 

Прежде всего можно выделить группу методов визуализации, использующих рассеяние света небольшими частицами. 
Это могут быть как сферические частицы-пузырьки водорода 
и различные твердые частицы — стеклянные и полистирольные шарики, так и дискообразные частицы — алюминиевые 
или магниевые хлопья, рыбьи чешуйки, частицы слюды, покрытые двуокисью титана. Все это материалы, обладающие высокой отражательной способностью при их попадании в плоскость светового поля.
Обычно используются очень маленькие водородные пузырьки, образующиеся на тонкой проволоке, которая играет 
роль катода в цепи постоянного тока, предназначенной для организации процесса электролиза в водных растворах электролита. В экспериментах обычно подбирают диаметры пузырька, 
при которых соотношение архимедовой силы и силы сопротивления локального движения жидкости позволяет пузырькам 
следовать за потоком.
В ряде исследований водородные пузырьки использовались 
при детальном изучении структуры течения вблизи стенки и динамического отрыва водяного потока на колеблющемся профиле.
Более подробно эти и другие методы визуализации представлены в статье М. Гад-эль-Хака «Методы визуализации 
нестационарных течений: обзор», опубликованной в № 5 
журнала»Современное машиностроение» (серия А) в 1989 году.
Известно применение в качестве рабочей жидкости глицерина или глицерина и мелких восковых частиц с нулевой плавучестью для изучения движения крыла небольшой осы, а также 
смеси глицерина с водой и поверхностных шариков с нейтральной плавучестью при обтекании круговых цилиндров.
Очень мелкие частицы слюды использовались для визуализации начального движения воды, вызванного движением 
первоначально неподвижной пластины в направлении, нормальном к ее поверхности. Алюминиевые хлопья применялись для визуализации процесса раскручивания и замедления 
вращения цилиндрической каверны. Алюминиевый порошок 

Визуализация потокоВ В каналах

10

и метод электролитического осаждения использовался для регистрации мгновенных картин линий тока и линий помеченных 
частиц при обтекании двумерных тел простой формы.
Частицы слюды толщиной около 3–4 мкм и диаметром 10–12 
мкм, покрытые двуокисью титана использовались при изучении 
развития турбулентных пятен в плоском течении Пуазейля. Похожие частицы использовались и для визуализации пристеночной 
области полностью развитого турбулентного пограничного слоя.
Главное достоинство методов визуализации с применением 
мелких частиц — это отсутствие необходимости введения каких-либо зондов, возмущающих поток в той или иной степени. 
Такие методы очень полезны для получения первичной информации о характерных особенностях течения, которая иногда 
оказывается достаточной для понимания сущности явления.
Большая группа методов визуализации течения основывается на введении в поток специального красителя. Устройства 
для ввода красителя в основной поток должно вносить минимальные возмущения. В качестве красителей может выступать 
целый ряд веществ — чернила, различные пищевые красители, 
молоко, флуоресцирующие жидкости, хозяйственная синька, 
смешанная со спиртом, и т. д.
Освещение потока может осуществляться несколькими лампами или лазерными лучами, которые позволяют визуализировать 
течение в любой выбранной плоскости. Используется также сочетание лазерного освещения и флюоресцирующего красителя 
для визуализации развития турбулентных пятен или турбулентных 
клиньев в ламинарном пограничном слое, дискретных вихрей, сходящих с передней кромки дельтавидного крыла в установившемся 
полете, переходных явлений в тормозящемся пограничном слое. 
Такое сочетание применяется и для визуализации изменяющегося 
во времени обтекания трехмерных несущих поверхностей, совершающих колебания по углу атаки, естественных и искусственно 
вызываемых очагов разрушения упорядоченного течения в пристеночной области турбулентного пограничного слоя и структур 
больших вихрей в турбулентном пограничном слое.

Введение 

При проведении сравнительного анализа методов визуализации с использованием освещения лампой в сочетании с обычными красителями, лазерного освещения в сочетании с флюоресцентными красителями или дискообразными частицами 
можно сделать следующие выводы:
1. обычные красители позволяют наблюдать только общую 
пространственную картину течения;
2. использование лазерного луча и флюоресцентного красителя позволяет наблюдать анатомию структуры течения;
3. дискообразные частицы скорее визуализируют мгновенное поле напряжений в области течения, т. к. они ориентируются по осям главных нормальных напряжений в потоке.
Довольно часто для визуализации в гидроканалах с буксируемой моделью используется метод окрашенных слоев, который 
позволяет фиксировать нестационарность течения.
При этом обычно используются хлопчатобумажные нити, натянутые на гребенку и окрашенные концентрированными растворами чередующихся по цвету флуоресцентных красителей 
в спирте. Перед опытом спирт испаряется и нити остаются насыщенными кристаллами красителя. Помещенная в гидроканал с устойчивой слабой стратификацией солености нить перемещается со сравнительно низкой скоростью — 1 м/с. Тонкие 
(около 1 мм) чередующиеся по цвету следы за нитями в данном 
случае остаются ламинарными, Толщина их сохраняется вследствие подавления их вертикального перемещения стратификацией солености в канале.
Применяя метод окрашенных слоев успешно проводится 
визуализация обтекания модели летательного аппарата с вращающимся крылом и других трехмерных несущих поверхностей, совершающих гармонические колебания с большой амплитудой.
При течении жидкости с изменяющимися степенями солености и температурами в ней существуют достаточные пространственные и временные изменения плотности. В таких случаях 
достаточно эффективно применение оптических методов визу

Визуализация потокоВ В каналах

12

ализации течения, основанных на изменении показателя преломления жидкости.
К таким методам относятся метод двойного лучепреломления, голографический, теневой и интерферометрический 
методы. Они используются при изучении как стационарных, 
так и нестационарных течений — затухание турбулентности, 
разрушения следа и образование горизонтальных вихрей. 
Как частный пример можно отметить использование голографического высокоскоростного интерферометрического метода 
для наблюдения полей быстро изменяющихся течений и процесса распространения высокотурбулентных пламен (модель 
течения внутри двигателя внутреннего сгорания).
Большую группу методов визуализации течений составляют методы, использующие различные химические процессы. 
К ним относятся импульсный фотолиз, искровой разряд, люминесценция, флуоресценция, введение в поток водородных пузырьков, четыреххлористого титана, теллура, красителя тимол 
синий и т. д.
При введении в поток водородных пузырьков, теллура и красителя тимол синий используются электролитические реакции 
при нахождении в водном растворе двух электродов. Применение специальных светочувствительных растворов, например, 
пиридина в этиловом спирте, совместно с импульсным освещением позволяет отказаться от установки катода в потоке. Однако здесь могут возникнуть трудности с приобретением таких 
необычных рабочих сред.
Люминисцентный метод успешно используется для измерения мгновенного распределения скорости в нестационарном 
потоке водного раствора глицерина, где содержатся частицы 
сульфида цинка.
Совершенно отдельной группой различных течений, которые можно изучать визуальными способами, являются природные естественные или искусственно созданные течения. К ним 
можно отнести движение облаков, вид поверхности водоемов 
в ветреные дни, дым из труб и от сигарет, океанские водоворо