Flow patterns in a rotating cylinder with liquid and a free cylindrical core at vibration
DOI:
https://doi.org/10.17072/1994-3598-2019-4-24-32Keywords:
annulus, inertial oscillations, steady streamingAbstract
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.References
Greenspan H. The Theory of Rotating Fluids. Cambridge, UK: University Press, 1968, 327 p.
Sibgatullin I. N., Ermanyuk E. V. Internal and inertial wave attractors: a review. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2019, vol. 60, no. 2, pp. 284–302. DOI: 10.1134/S002189441902010X
Subbotin S., Dyakova V. Inertial waves and steady flows in a liquid filled librating cylinder. Microgravity Sci. Technol., 2018, vol. 30, no. 4, pp. 383–392. DOI: 10.1007/s12217-018-9621-x
Egbers C., Pfister G. (Eds.) Physics of rotating fluids: selected topics of the 11th International Couette–Taylor Workshop, held at Bremen, Germany, 20–23 July 1999. Berlin, etc.: Springer, 2000, 439 p.
Taylor G. I. Stability of a viscous liquid contained between two rotating cylinders. Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1923, vol. 223, no. 605–615, pp. 289–343.
Andereck C. D., Liu S. S., Swinney H. L. Flow regimes in a circular Couette system with independently rotating cylinders. Journal of. Fluid Mechanics, 1986, vol. 164, pp. 155–183. DOI: 10.1017/S0022112086002513
Phillips O. M. Centrifugal waves. Journal of. Fluid Mechanics, 1960, vol. 7, no. 3, pp. 340–352. DOI: 10.1017/S0022112060000128
Ivanova A. A., Kozlov V. G., Polezhaev D. A. Vibrational dynamics of a centrifuged fluid layer. Fluid Dyn., 2005, vol. 40, no. 2, pp. 297–304. DOI: 10.1007/s10697-005-0069-5
Kozlova A. N., Kozlov N. V. Vibrational dynamics of rotating systems with interface. Мoscow–Izhevsk: Institut kompiuternykh issledovanii, 2016, 114 p. (In Russian)
Kozlov V. G., Kozlov N. V. Vibrational hydrodynamic gyroscope. Doklady Physics, 2007, vol. 52, no. 8, pp. 458–461. DOI: 10.1134/S1028335807080137
Kozlov N. Theory of the vibrational hydrodynamic top. Acta Astronaut., 2015, vol. 114, pp. 123–129. DOI: 10.1016/j.actaastro.2015.04.010
Kozlov V. G., Kozlov N. V. Vibrational dynamics of a light body in a liquid-filled rotating cylinder. Fluid Dynamics, 2008, vol.43, pp. 9–19. DOI: 10.1134/S001546280801002X
Kozlov V. G., Kozlov N. V., Subbotin S. V. The effect of oscillating force field on the dynamics of free inner core in a rotating fluid-filled spherical cavity. Physics of Fluids, 2015, vol. 27, no. 12, 124101. DOI: 10.1063/1.4936399
Schlichting H. Boundary Layer Theory. New York, USA: McGraw-Hill, 1968, 817. p.
Lalaoua A., Bouabdallah A. On the onset of Taylor vortices in finite-length cavity subject to a radial oscillation motion. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2016, vol. 9, no. 4, pp. 1887–1896. DOI: 10.18869/acadpub.jafm.68.235.25270
Sobolík V., Izrar B., Lusseyran F., Skali S. Interaction between the Ekman layer and the Couette–Taylor instability. Int. J. Heat Mass Transf., 2000, vol. 43, no. 24, pp. 4381–4393. DOI: 10.1016/S0017-9310(00)00067-3
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ).
Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных.
Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами.
Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается.
Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом.
Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте.
Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru
Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.