Введение к работе
Актуальность темы. Проблеме перехода ламинарных сдвиговых течений в турбулентное состояние посвящено большое количество, как экспериментальных, так и теоретических исследований. Этот вопрос вызывает интерес исследователей уже довольно длительное время по многим причинам. С фундаментальной точки зрения остаётся нерешенной важная проблема теоретического описания турбулентности, которая тесно связана с проблемой описания процесса перехода ламинарных течений в турбулентное состояние. Линейная теория устойчивости и восприимчивости правильно описывает начальные стадии развития возмущений в процессе ламинарно- турбулентного перехода. Процессы нелинейного развития, нелинейного взаимодействия и разрушения возмущений в настоящее время мало изучены для течений прямого и скользящего крыльев с неблагоприятным градиентом давления. Успешное развитие теории и численных методов немыслимо без их верификации, путем сопоставления с экспериментальными результатами. Такое взаимодействие, в частности, обеспечивает развитие инженерных методов расчёта положения перехода.
Говоря о прикладном значении исследований проблемы возникновения турбулентности, необходимо выделить задачи конструирования авиационной и космической техники. Летные качества воздушных и космических аппаратов в значительной степени зависят от характера течения в пограничных слоях, формирующихся на обтекаемых поверхностях. Важной задачей в данном случае является создание эффективных методов предсказания положения перехода к турбулентности и управления им, что, в свою очередь, в значительной степени влияет на возникновение отрывных явлений, на коэффициенты сопротивления, подъемной силы, теплопередачи и т.п.
Исследуемые в работе проблемы перехода к турбулентности, а именно развитие двумерных пространственно-модулированных волн неустойчивости, трехмерных волновых цугов от точечного источника, локализованных в пространстве и во времени непериодических возмущений от вибраций поверхности, их линейное развитие и нелинейное взаимодействие до сих пор являются слабо изученными для пограничных слоев с неблагоприятным градиентом давления и трехмерного течения скользящего крыла. K-режим ламинарно-турбулентного перехода на скользящем крыле ранее не исследовался. Процесс стохастизации течений с Л-вихрями через механизм локальной высокочастотной вторичной неустойчивости до этого был мало изучен, как и механизм нелинейной стадии синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур. Исследование указанных задач общей проблемы ламинарно- турбулентного перехода представляет большой интерес ввиду её большого фундаментального и прикладного значения.
Во многих реальных ситуациях (например, на крыльях планеров и самолётов) переход часто происходит именно в области пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления. При создании современных инженерных методов расчёта положения перехода используются теории устойчивости трёхмерного пограничного слоя, теории нелинейного развития возмущений в пограничном слое, а также методы прямого численного моделирования, которые нуждаются в верификации экспериментальными данными. До недавнего времени соответствующие эксперименты, содержащие количественную информацию о линейном и нелинейном развитии возмущений, возникновении и развитии продольных структур в трехмерном пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления, практически отсутствовали. Данная экспериментальная работа в значительной степени восполняет этот пробел в связи с тем, что разработанная автором диссертации методика пространственно-временной термоанемометрической визуализации течений позволила получить как качественную, так и количественную информацию о пространственной структуре и характеристиках развития возмущений на нелинейной стадии их эволюции.
Цель работы. Цель настоящей работы состоит в получение экспериментальных данных по нелинейной неустойчивости пограничного слоя на профилях прямого и скользящего крыла для более детального понимания механизма данного процесса и, на основе его понимания, рассмотрения различных методов управления неустойчивостью с использованием современной методики пространственно-временной термоанемометрической визуализации течений. Она включает в себя следующие основные направления исследований:
а) K-режима ламинарно-турбулентного перехода в области неблагоприятного градиента давления прямого и скользящего крыльев;
б) развития двумерных пространственно-модулированных волн неустойчивости, трехмерных волновых цугов от точечного источника;
в) локализованных в пространстве и во времени непериодических возмущений генерируемых вибрациями поверхности, их линейное развитие и нелинейное взаимодействие;
г) процесса стохастизации течений с Л-вихрями через механизм их локальной высокочастотной вторичной неустойчивости;
д) синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур;
е) вторичной высокочастотной неустойчивости продольных вихрей в пограничном слое скользящего крыла;
ж) различных методов управления нелинейной стадией развития возмущений в пограничном слое.
Научная новизна. В работе впервые показано, что развитие Л-структур в K-режиме перехода в области неблагоприятного градиента давления на прямом крыле качественно идентично их развитию на плоской пластине, а ламинарно-турбулентный переход, вызванный волнами Толлмина - Шлихтинга (ТШ), на скользящем крыле приводит к образованию асимметричных Л-структур. Получены количественные экспериментальные данные о развитии волновых цугов от точечного источника на прямом и скользящих крыльях 30 и 45, включая линейную и нелинейную стадии, а также процесс возникновения турбулентности. Впервые найдено, что на прямом крыле в области неблагоприятного градиента давления непериодические возмущения от локализованного вибратора отличаются от таких же возмущений на плоской пластине, они представляют собой пару квазистационарных вихрей большой амплитуды и сопровождающих их трехмерных высокочастотных волновых пакетов. Впервые показано, что взаимодействие затухающей Л-структуры с высокочастотной волной приводит к нарастанию вторичного высокочастотного возмущения и образованию турбулентного пятна. Впервые установлено, что процесс нелинейного развития синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур в пограничном слое плоской пластины, прямого и скользящего крыла связан с образованием Л-структур и трансверсальным мультиплицированием как полосчатых структур, так и Л-структур. Впервые показана возможность управления нелинейной стадией развития возмущений в области перехода с помощью элементов шероховатости, оребрения поверхности (риблеты), распределенного и локализованного отсоса.
Достоверность результатов обеспечена использованием в работе универсальных и отработанных методов экспериментального исследования, таких как: генерации в пограничном слое искусственных, контролируемых периодических и локализованных возмущений, вводимых как раздельно, так и вместе при условии сохранения фазовой информации, и изучении характеристик их развития и взаимодействия с помощью термоанемометрических измерений; повторяемостью результатов, полученных в опытах, проведенных в разное время и на различных аэродинамических установках. Результаты согласуются с опубликованными данными о характеристиках подобных течений и с результатами исследований явлений, аналогичных изучаемым в настоящей работе, в других течениях вязкого несжимаемого газа. Данные, полученные в различных разделах работы, дополняют друг друга и дают целостную, физически непротиворечивую картину изучаемого явления.
Научная и практическая ценность. Разработанная автором диссертации методика пространственно - временной термоанемометрической визуализации сложных течений дала возможность впервые получить в физическом эксперименте не только качественные, но и количественные данные о пространственной структуре и характеристиках развития вихревых возмущений в пограничном слое прямого и скользящего крыла на нелинейной стадии их эволюции (до сих пор такие данные были получены лишь в численных экспериментах). Данная методика может быть широко использована в различных исследовательских группах, занимающихся экспериментальными исследованиями ламинарно - турбулентного перехода и турбулентностью. Полученные в работе обширные количественные данные о характеристиках линейного и нелинейного развития пространственных волновых цугов на прямом и скользящих крыльях скольжения 30 и 45 градусов могут быть использованы (и уже используются) для верификации теоретических подходов и для создания более совершенных инженерных методов расчета положения перехода в пограничных слоях. Полученные данные имеют практический интерес для организаций и специалистов, занимающихся исследованием проблемы возникновения турбулентности и задачами расчёта положения перехода и управления ламинарным пограничным слоем.
На защиту выносится:
разработанная автором диссертации методика пространственно-временной термоанемометрической визуализации сложных течений;
результаты экспериментальных исследований по развитию Л-структур в К- режиме перехода в области неблагоприятного градиента давления на прямом и скользящем крыльях;
результаты экспериментального исследования вторичной высокочастотной неустойчивости Л-структур;
результаты экспериментального исследования возникновения и развития непериодических возмущений большой амплитуды от локализованного вибратора;
результаты экспериментального исследования развития волновых цугов от точечного источника на прямом и скользящих крыльях 30 и 45 включая линейную стадию и процесс возникновения турбулентности;
результаты экспериментального исследования вторичной высокочастотной неустойчивости продольных вихрей в пограничном слое скользящего крыла;
результаты экспериментального исследования синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур;
результаты экспериментальных исследований различных способов управления развитием возмущений на нелинейной стадии их развития.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН (Новосибирск), на VII и VIII Азиатском симпозиуме по визуализации (Сингапур, 2003 г.; Чангмай, Таиланд, 2005 г.); V и VI Европейской конференции по механике жидкости (Тулуза, Франция, 2003 г.; Стокгольм, Швеция, 2006 г.); VI и VII IUTAM Симпозиуме по ламинарно-турбулентному переходу (Бангалор, Индия, 2004 г.; Стокгольм, Швеция, 2009 г.), XII и XIII Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR, Новосибирск, Россия, 2004 г.; Новосибирск, Россия, 2007 г.); XXI и XXII Международном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Варшава, Польша, 2004 г.; Аделаида, Австралия, 2008 г.); Выставке и Конгрессе по газовым турбинам (Рино, США, 2005 г.; Барселона, Испания, 2006 г.; Монреаль, Канада, 2007 г.); Международной летней школе "Современные проблемы в механике" (Санкт-Петербург, Россия, 2005 г.); V ERCOFTAC SIG 33 Workshop (Стокгольм, Швеция, 2006 г.), XII и XIII Азиатском конгрессе по механике жидкости (Тэджон, Корея, 2008 г.; Дакка, Бангладеш, 2010 г.); VII Европейской конференции по механике жидкости (Манчестер, Великобритания, 2008 г.); III Европейской конференции по аэрокосмическим наукам (Версаль, Франция, 2009 г.); VIII Тихоокеанском симпозиуме по визуализации течений и обработке образов (Москва, Россия, 2011 г.).
Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 58 публикациях, в том числе в 25 работах, опубликованных в реферируемых научных журналах (их список представлен ниже) и 33 публикациях научных конференций.
Личный вклад автора. При выполнении работ по теме диссертации автор лично разработал методику и систему автоматизированной пространственно - временной термоанемометрической визуализации течений, принимал непосредственное участие в постановке задач, подготовке экспериментов, проведении измерений, обработке и анализе экспериментальных данных, подготовке статей и докладов на конференциях. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 92 источников и 2 приложений. Общий объем работы составляет 339 с, включая 169 рисунков.
