Исследование осредненного движения жидкости во вращающемся горизонтальном цилиндре

В.Г. Козлов, А.В. Чиграков  (Пермь)

Экспериментально изучается движение жидкости в горизонтальной цилиндрической полости, совершающей быстрое вращение вокруг своей оси. Под действием центробежной силы жидкость, заполняющая полость частично, центрифугируется и распределяется на поверхности полости в виде цилиндрического слоя. При этом жидкость движется относительно стенок полости в направлении, противоположном вращению. Проведено исследование скорости и структуры осредненного течения от частоты вращения, размеров полости и относительного наполнения. Найдены безразмерные параметры, определяющие интенсивность течения. Показано, что движение связано с действием силы тяжести, которая вызывает вынужденные колебания жидкости - по свободной поверхности слоя жидкости в системе отсчета полости распространяется волна в азимутальном направлении, обратном вращению; волна генерирует азимутальное осредненное течение.

Обнаружено, что при определенных условиях осредненное течение имеет вид регулярной системы тороидальных вихрей с пространственным периодом, значительно превосходящим толщину слоя. Определена область существования трехмерных потоков. Показано, что пороговое возникновение трехмерных структур связано с резонансным возбуждением собственных колебаний свободной поверхности жидкости (центробежных волн) во вращающейся системе отсчета. Порог возбуждения колебаний зависит от относительного наполнения полости. Возбуждение колебаний значительно интенсифицирует осредненное течение. Структура трехмерного вибрационного течения исследована в зависимости от относительной длины цилиндрической полости. Результаты измерения периода осредненных трехмерных вибрационных течений согласуются с результатами известных теоретических исследований центробежных волн.

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