Abstract
In the present work, the modes of steady time-average flows are studied experimentally, which are realized in a quasi-coaxial layer at circular inertial oscillations of a free cylindrical core and its simultaneous differential rotation. The outer cylinder is formed by the wall of a hermetically sealed rotating container. The inner cylinder (core) is hollow and made of polyester film. The volume between the cylinders is filled with a low-viscosity incompressible fluid (water), into which small heavy particles are added, which serve for visualization. The container is installed horizontally and rotates rapidly, so that the core occupies a stable position on the cavity axis. To measure the rotation rate of the core, synchronization with the flicker frequency of a stroboscope is used; to study the flow structure by the distribution of visualizer particles, photo-recording is used. To excite the core oscillations, translational vibrations are applied to the container directed perpendicular to the axis of rotation. In this case, an intensive leading rotation of the core is generated. Depending on the mode of the core motion, various distribution structures of the visualizers are observed. At relatively low rates of the core rotation, structures with a spatial period characteristic of inertial waves are observed. In the case of moderate rates, one observes a regular system of toroidal vortices. At high rates, the flow becomes irregular. The system of toroidal vortices is associated with the centrifugal instability. The threshold of its occurrence is noticeably lower than in the case of the classical Couette–Taylor flow. Analysis of the results shows that the system under study has essential prerequisites for the lowering of the onset threshold of Taylor vortex flow.
Highlights
Экспериментально изучаются режимы осреднённых течений, реализующихся в квазикоаксиальном слое при круговых инерционных колебаниях свободного цилиндрического ядра и его одновременном дифференциальном вращении
Скорость вращения ядра измеряется путем синхронизации с частотой мерцаний стробоскопа для изучения структуры течений по распределению частиц визуализаторов
The modes of steady time-average flows are studied experimentally, which are realized in a quasi-coaxial layer at circular inertial oscillations of a free cylindrical core and its simultaneous differential rotation
Summary
Вращающиеся гидродинамические системы являются интересным объектом исследования, поскольку обладают нетривиальными свойствами, обусловленными действием сил инерции [1]. Одной из классических фундаментальных задач гидродинамики является течение Тэйлора–Куэтта, формирующееся между дифференциально вращающимися коаксиальными цилиндрами [4]. Что такое течение при опережающем вращении внутреннего цилиндра пороговым образом испытывает центробежную неустойчивость, в результате которой в коаксиальном слое формируется регулярная система тороидальных вихрей (вихри Тэйлора) [5]. Во вращающихся двухфазных системах одним из сильных эффектов являются центробежные волны, возбуждаемые на центрифугированной поверхности раздела [7,8,9]. При возбуждении колебаний ядра во вращающейся жидкости генерируется осреднённое течение, при этом ядро в среднем занимает коаксиальное положение и вращается дифференциально. Генератором дифференциального вращения ядра являются его круговые колебания, а скорость вращения пропорциональна квадрату амплитуды колебаний [10]. Вследствие этого при достижении достаточно интенсивного опережающего вращения ядра зазор между цилиндрами оказывается неоднородным вдоль угловой координаты и изменяется во времени периодически. В связи с этим обстоятельством сложно предсказать порог возбуждения вихрей Тейлора и их динамику на основе существующих в литературе данных, что вызывает необходимость внимательного экспериментального изучения
Sign-in/Register to view highlights & summary Talk to us
Join us for a 30 min session where you can share your feedback and ask us any queries you have
Schedule a callDisclaimer: All third-party content on this website/platform is and will remain the property of their respective owners and is provided on "as is" basis without any warranties, express or implied. Use of third-party content does not indicate any affiliation, sponsorship with or endorsement by them. Any references to third-party content is to identify the corresponding services and shall be considered fair use under The CopyrightLaw.
