Исследование движения изотермической жидкости в полости прямоугольного сечения, совершающей вращательные вибрации

В.Г. Козлов, Н.В. Селин (Пермь)

Экспериментально исследуется осредненное движение изотермической жидкости в полости прямоугольного сечения при вращательных вибрациях. Наряду с областью высоких и умеренных частот значительное внимание уделяется области низких безразмерных частот, при которых толщина слоев Стокса сравнима с размером полости. В этом последнем случае осциллирующее движение жидкости определяется вязкими силами во всем объеме полости. Эксперименты проводятся на вязких жидкостях (глицерин, силиконовое масло). Структура и интенсивность течения исследуются методом фото- и видеорегистрации с последующей обработкой фотографий и видеозаписей.

Наблюдения показывают, что на фоне осцилляций жидкости, вызванных вращательными качаниями, в полости формируется осредненное движение, которое локализуется вблизи торцовых стенок и распространяется на несколько калибров вглубь канала. В пределе низких частот течение состоит из четырех плоских вращающихся вихрей, которые охватывают всю торцовую область. Два вихря сравнительно небольшого размера локализованы непосредственно у торцовой грани, а два больших образуют в середине слоя течение, направленное к торцовой стенке. Течение симметрично относительно середины слоя, вихри вращаются согласованно, образуя непосредственно вблизи торцовой грани две струи, направленные в углы. При повышении безразмерной частоты вибраций поперечные размеры вихрей уменьшаются, вихри прижимаются к стенкам полости и над ними образуется система из валов, вращающихся в противоположных направлениях. Вихревое течение приобретает двухэтажную структуру. При дальнейшем повышении частоты вибраций локализованные в вязких скин-слоях вихри становятся неразличимыми, все поперечное сечение канала занимают внешние по отношению к слоям Стокса конвективные течения, называемые в литературе "акустическими".

В работе изучены закономерности трансформации структуры осредненного течения по мере понижения частоты и зависимость интенсивности вибрационного течения от вибрационных параметров в предельном случае низкой безразмерной частоты.

Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 00-01-00416а).