Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История и состояния исследуемого вопроса 9
1.1 Ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое 9
1.2 Ламинарно-турбулентный переход в слоях смешения и струях 12
1.3. Контроль за процессами смешения в струях 13
Глава 2. Экспериментальное исследование продольных структур в круглой осесимметричной струе и их роли в процессе ламинарно-турбулентного перехода 16
2.1. Экспериментальная установка и методика измерений 16
2.2. Влияние продольных структур на процесс турбулизации струи 17
2.2.1. Визуализация течения в осесимметричной круглой струе 17
2.2.2. Эксперимент без введения контролируемых возмущений 18
2.2.3. Эксперимент с введением контролируемых возмущений 19
2.3. Выводы 23
Глава 3. Экспериментальное исследование продольных структур в плоской струе 25
3.1. Экспериментальная установка и метод исследования 25
3.2. Визуализация течения в плоской струе 26
3.3. Выводы 27
Часть 4. Экспериментальное исследование продольных структур в плоской пристенной струе и их роли в процессе ламинарно-турбулентного перехода 28
4.1. Экспериментальная установка 28
4.2. Измерительная техника 29
4.3. Ближнее поле плоской пристенной струи в естественных условиях 30
4.4. Изучение искусственно генерируемых продольных структур при помощи термо-анемометрических измерений .' 31
4.5. Акустическое воздействие на продольные структуры 33
4.6. Исследование плоской пристенной струи при помощи метода PIV 33
4.7. Выводы 35
Глава 5. Плоская пристенная струя: сравнение результатов расчета и эксперимента 36
5.1. Экспериментальная установка 36
5.2. Введение искусственных возмущений 37
5.3. Обезразмеривание параметров потока 38
5.4. Результаты 38
5.4.1. Сравнение расчетного и экспериментального основного течения 38
5.4.2. Линейная устойчивость 41
5.4.3. Структуры потока 45
5.5. Выводы 46
Заключение 47
Литература
- Ламинарно-турбулентный переход в слоях смешения и струях
- Визуализация течения в осесимметричной круглой струе
- Визуализация течения в плоской струе
- Ближнее поле плоской пристенной струи в естественных условиях
Введение к работе
Актуальность темы Физика смешения в струях представляет значительный интерес как с фундаментальной, так и с практической точек зрения. Интенсивность и однородность перемешивания имеют большое влияние на эффективность сгорания, коэффициент теплопередачи, формирование отработанных веществ и шум струи. Так же струи могут использоваться, например, для охлаждения лопаток газовых турбин и различных электронных устройств, а также для управления пограничным слоем на крыле.
В ламинарных струях профили средней скорости перегибные, что приводит к формированию вихрей Кельвина - Гельмгольца, которые являются основной неустойчивостью слоев сдвига, причем начальная стадия развития вихрей обычно хорошо описывается линейной теорией устойчивости. Нелинейная стадия характеризуется насыщением амплитуды и спариванием вихрей из-за резонанса возмущений с суб- и супергармониками. Дальнейшее развитие нелинейных структур часто сопровождается появлением продольных (вытянутых по потоку) вихревых структур. Их формирование обычно связывают с так называемой вторичной трехмерной неустойчивостью вихрей Кельвина — Гельмгольца. Эксперименты показывают, что динамика этих структур играет важную роль в процессе смешения в дальнем следе струи.
Другие продольные возмущения, которые часто могут развиваться в слое сдвига струи, возникают за неровностями поверхности сопел. Они представляют собой области квазистационарных трехмерных деформаций преимущественно продольной скорости в сдвиговом потоке, имеющих характерный вид "полосок" на картинах визуализации. Причина их появления не связана с вторичной неустойчивостью вихрей Кельвина -Гельмгольца. Эти структуры возникают в результате эффектов установления при развитии компактных трехмерных возмущений нормальной компоненты скорости даже малой амплитуды. Такие продольные структуры подвержены интенсивному взаимодействию с другими возмущениями потока, например с волнами неустойчивости, что, как правило, ускоряет турбулизацию течения. Эта особенность делает полосчатые структуры перспективным агентом для улучшения смешения и управления потоком в струях.
Продольные структуры в пристенных потоках - предмет исследования множества работ. В то же время, исследования процесса возникновения и развития продольных структур в струйных течениях начаты лишь недавно и проводились только при естественных условиях, без возможности их контроля.
Исследование указанной проблемы представляет интерес ввиду широкого применения струйных течений в практических приложениях.
Цель работы заключалась в экспериментальном изучении механизмов генерации и развития продольных структур в дозвуковых круглой, плоской и плоской пристенной струях при помощи методов визуализации, термоанемометрии и метода PIV, а так же их роли в процессе ламинарно-турбулентного перехода в контролируемых условиях. Изучались: влияние различных размеров шероховатостей на возникновение продольных структур; влияние числа Реинольдса и акустического поля на развитие продольных вихревых структур и их характеристические размеры. Так же проводилось сравнение результатов экспериментов по плоской пристенной струе с результатами вычислений по линейной теории и прямого численного моделирования (О. Левин, Д. Хеннингсон).
Научная новизна
впервые из результатов дымовой визуализации были получены качественные данные о местоположении продольных структур и их поперечные размеры.
обнаружено влияние числа Реинольдса на формирование и развитие продольных структур. Было найдено, что увеличение скорости течения ведет к ускорению процесса ламинарно-турбулентного перехода и уменьшению поперечного размера продольных структур. При уменьшении скорости наблюдалось обратное явление. Этот факт может быть связан с изменение толщины свободного слоя сдвига при изменении числа Реинольдса.
впервые изучено влияние частоты вихрей Кельвина - Гельмгольца на генерацию и характеристики продольных возмущений. Искусственное возбуждение неустойчивости Кельвина - Гельмгольца в свободном слое сдвига показало, что частота двумерных вихрей влияет на характерный размер и амплитуду продольных вихревых структур. Взаимодействие этих двух видов неустойчивостей может ускорять или затягивать процесс турбулизации струи.
Научная и практическая ценность состоит в том, что в работе на новом уровне изучена структура струйных течений, получена принципиально новая информация о формировании и развитии продольных вихревых структур в струях, их взаимодействии с двумерной неустойчивостью Кельвина - Гельмгольца, что может быть использовано и используется для верификации теоретических подходов, а также для создания более совершенных методов расчета и прямого численного моделирования. Полученные данные имеют практический интерес для специалистов, занимающихся управлением процессов массо- и теплообмена струйных течений.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, изложена на 124 страницах, включая 80 рисунков. Результаты диссертации опубликованы в работах, список которых представлен на страницах 55-56.
Первая глава содержит исторический обзор проблем, тем или иным образом связанных с исследуемой. Дается общая характеристика проблемы и обзор основных работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям явления перехода к турбулентности в соответствии с темой диссертационной работы. Показана роль стационарных продольных структур в процессе перехода к турбулентности в пограничном слое, слоях смешения и струях. Показана важность изучения роли вихрей Кельвина -Гельмгольца и трехмерных эффектов в переходе к турбулентности.
Вторая глава посвящена исследованию механизмов возникновения продольных вихревых структур непосредственно на выходе из сопла, их развития вниз по потоку и взаимодействия с вихрями Кельвина - Гельмгольца, акустического воздействия на эти процессы в круглой струе. Показаны картины дымовой визуализации круглой струи, сделанной при помощи синхронизированного лазерного ножа, в естественных и контролируемых условиях.
Третья глава посвящена изучению механизма возникновения и развития продольных структур в плоской струе. Продольные структуры генерировались контролируемым образом за элементами шероховатости на выходе из сопла, при помощи дымовой визуализации и синхронизированного лазерного ножа были получены визуализаци-онные картины течения в плоской струе. Продемонстрирован процесс взаимодействия
продольных структур и вихрей Кельвина — Гельмгольца, в результате которого происходит развитие периодической системы грибовидных структур вниз по потоку.
В четвертой главе описываются результаты исследования механизма возникновения и развития продольных структур в плоской пристенной струе. Качественные данные о возникновении продольных вихрей на выходе из сопла плоской пристенной струи были получены из визуализации потока. Исследования проводились в естественных и контролируемых условиях. Для контроля использовались элементы шероховатости и акустическое поле. Исследовалось влияние поперечного размера шероховатостей на поперечный размер структур и их амплитуду, а так же акустическое влияние на характеристики структур. Количественные данные были получены при помощи термоанемометри-ческих измерений. Исследовано влияние числа Рейнольдса на характеристики продольных структур. Продемонстрированы предварительные результаты измерений характеристик плоской пристенной струи при помощи метода PIV (Particle Image Velocimetry).
В пятой главе представлены результаты сравнения экспериментального и теоретического изучения динамики плоской пристенной струи при высоком числе Рейнольдса. Показано, что пристенная струя может быть описана решением уравнений пограничного слоя в ближнем поле струи. Проведено сравнение результатов экспериментов с прямым численным моделированием.
На защиту выносятся:
Результаты исследования возникновения и развития продольных структур в круглой, плоской и плоской пристенной струях методом дымовой визуализации при помощи импульсного лазерного ножа.
Результаты исследования влияния различных поперечных размеров шероховатостей на возникновение и развитие продольных структур.
Результаты исследования характеристик продольных структур при помощи термоанемометра.
Результаты исследования влияния числа Рейнольдса и акустического поля на генерацию, развитие и характеристики продольных возмущений.
Результаты предварительного исследования плоской пристенной струи при помощи метода PIV (Particle Image Velocimetry).
6. Сравнение результатов экспериментов по плоской пристенной струе с результатами вычислений по линейной теории и прямого численного моделирования.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Чалмерского Технологического Университета и представлялись на следующих конференциях:
Международная конференция "Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 2004,2005 гг.);
III Всероссийская конференция молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии" (Новосибирск, 2003 г.);
Международная конференция по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2002, 2004 г.);
Молодежная конференция "Шведские дни механики" (СТН, Ґетеборг, Швеция, 2003 г.);
VII Азиатский симпозиум по визуализации (Сингапур, 2003 г.);
V Европейская конференция по механики жидкости (Франция, 2003).
Ламинарно-турбулентный переход в слоях смешения и струях
В таких типах течения как течения со слоем смешения и струйные течения профиль средней скорости имеет точку перегиба. Неустойчивость подобных течений обычно связывают с неустойчивостью вихревых колец — вихрей Кельвина — Гельмгольца [50]. Динамику процесса развития и турбулизации кольцевых вихрей изучали многие исследователи. В работе [51] впервые показано, что сдвиговый слой осесимметричной струи содержит упорядоченные вихревые структуры. Измерения, выполненные в [52] показали, что вихревые структуры взаимодействуют и объединяются. Позднее была предложена модель "вихревой дорожки", описывающей эволюцию азимутальных вихрей [53]. Что касается пристенных течений, то внешний слой пристенной струи похож на свободный слой смешения, в котором развиваются вихри Кельвина - Гемгольца [54, 55]. Такой тип неустойчивости хорошо описывается теорией линейной устойчивости [54, 56] и двумерным численным моделированием [55, 57, 58], которое показало хорошее совпадение с экспериментами.
Было найдено, что трехмерные эффекты значительно усиливаются с увеличением уровня возмущений в потоке, т.е. с увеличением числа Рейнольдса. В результате в свободном слое сдвига развитие двумерного течения происходит одновременно с развитием вторичных продольных когерентных структур [50, 59, 60], которые возникают из внутренней неустойчивости первичных вихрей. Трехмерные возмущения проявляются как противовращающиеся продольные вихри, которые сформировались в областях между когерентными двумерными структурами. Результаты экспериментальных исследований были подтверждены численно [61, 62]. Область формирования трехмерных структур зависит от области возникновения и уровня трехмерных возмущений вверх по потоку. При высоком уровне внешних (случайных) возмущений наблюдаемые трехмерные мелкомасштабные образования могут разрушать крупномасштабные двумерные структуры [62]. Подобные наблюдения были сделаны в круглой струе [64, 65]. Экспериментальные исследования показали, что динамика развития продольных структур играет важную роль на поздних стадиях течения в круглой струе, а высокие коэффициенты поверхностного трения влияют на эволюцию пар продольной завихренности крутящихся в проти воположных направлениях. В плоской струе так же наблюдаются продольные вихри, которые развиваются между двумерными структурами Кельвина - Гельмгольца [63, 67]. Было установлено, что для пристенной струи трехмерные эффекты, очень важны даже при низком числе Рейнольдса см. [54, 55]. С увеличением числа Рейнольдса эти эффекты усиливаются.
Можно сделать вывод, что наличие трехмерных возмущений на начальном этапе ведет к образованию продольных вихревых структур ниже по течению. Продольные структуры играют доминирующую роль в процессе перехода к турбулентности в свободном сдвиговом слое, а также и в пристенно-пограничных слоях [59]. 1.3. Контроль за процессами смешения в струях
Понимание физики процессов смешения струйных течений важно как с фундаментальной, так и практической точек зрения. Как известно, процессы смешения связаны с переходом к турбулентности. Такие процессы регулируют степень перемешивания газа в камерах сгорания, уровень шума самолетов и аппаратов, а также влияют на распространение загрязнителей в промышленных районах. В практических задачах часто необходимо решать проблему интенсификации смешения струйного течения с окружающим течение газом. От скорости и степени их перемешивания зависят эффективность горения, степень тепломассопереноса, формирование загрязнителя, подавления шума струи и уменьшение размеров таких устройств [68].
Продольные вихри, генерируемые в струйном течении в дополнение к азимутальным вихрям (или кольцевым вихрям Кельвина - Гельмгольца), могут существенно повлиять на процесс смешения потоков жидкости. Продольные вихри в струйных течениях могут быть генерированы различными способами. Например, лепестковое сопло [69], см. рис. 1.6 использовалось для генерации крупномасштабных продольных вихрей в струе и рассматривается как перспективный метод интенсификации смешения газа в струе. Оно начинает широко применяется для регулирования выхлопов турбовентиляторных двигателей и эжекторов.
Например, для некоторых авиационных двигателей, таких как у самолетов компаний Боинг и Эйербас, лепестковые сопла - смесители используются для снижения шума выхлопной струи и расхода топлива [70, 71]. Для уменьшения инфракрасного излучения военного самолета, т.е. для обеспечения его выживаемости, лепестковые сопла - смесители используются с целью ускорения процессов перемешивания высокотемпе ратурного и высокоскоростного газа от двигателя с окружающим холодным воздухом [72, 73]. Они применяются на вертолетах "Tiger" (Германия, Франция), "Comanche" (США) и самолете-невидимке F-117. В последнее время лепестковые сопла используются для интенсификации смешения между топливом и воздухом в камерах сгорания, что способствует эффективному горению и снижению образования загрязнителей [74].
Впервые динамический механизм процесса смешения в лепестковом сопла - смесителе вниз по потоку изучен в [75]. Обнаружено, что такое сопло генерирует продольные вихри длиной порядка радиуса сопла. В процессе смешения эти вихри доминировали. Более детальную картину течения лепесткового смесителя вниз по потоку показали авторы работы [76]. Установлено, что взаимодействие вихрей Кельвина - Гельмгольца с продольными вихрями приводит к высокому уровню смешения. Продольные вихри деформируют вихри Кельвина - Гельмгольца в "морщинистые" структуры и интенсифицируют процесс смешения. Это приводит к созданию интенсивной мелкомасштабной турбулентности и смешению газов. В целом, эти работы показали, что искусственно генерированные лепестковым соплом крупномасштабные продольные вихри и азимутальные вихри Кельвина - Гельмгольца играют важную роль в процессе смешения ядра струи с окружающим течением.
Другой пример определяющей роли продольных вихревых структур в механизме смешения топлива с окружающим воздухом и стабилизации процесса струйного горения рассматривается в работе [77]. В отличие от вышеописанного, где продольные структуры искусственно создавались специальной геометрией соплозого аппарата, в данном случае исследовались продольные структуры, порождаемые вторичной неустойчивостью самой струи, и их роль в механизме смешения. Хорошо известно, что в струях, слоях сдвига и смешения при достаточном числе Рейнольдса вверх по потоку линейная неустойчивость Кельвина - Гельмгольца усиливается и происходит ее сворачивание в первичные, осесимметричные кольца [78]. Наблюдаются также другие организованные вихри как результат воздействия вторичных неустойчивостей. Эта структуры возникают в виде продольных, противовращающихся вихрей, которые накладываются на вихри Кельвина - Гельмгольца. Такие вихри исследованы в плоских слоях сдвига [79, 80] и наблюдались в круглых водяных струях [81]. Авторы [82, 83] пытаются объяснить формирование боковых струй в горячей струе через механизм развития продольных вихрей.
Визуализация течения в осесимметричной круглой струе
Распределения средней и пульсационной составляющей скорости для различных расстояний вниз по потоку от среза сопла показаны на рис. 2.5. Измерения производились при помощи термоанемометра. Из графика пульсационной составляющей скорости можно видеть, что интенсивность возмущений возрастает примерно в три раза в слое смешения струи по сравнению с ядром.
Картины дымовой визуализации круглой струи в естественных условиях показаны на рис. 2.6. На общем виде круглой струи (см. рис. 2.6,а), полученном при помощи стробо-скопирования, можно наблюдать два кольцевых вихря в области ламинарного течения, расширение струи вниз по потоку и область турбулентного течения. Визуализации поперечного течения в круглой струе (см. рис. 2.6,Ь,с) демонстрируют наличие азимутальных "лучей", равномерно распределенных по ее периферии.
Как показано в работе [93], "лучи" указывают на существование полосчатых структур, генерируемых непосредственно на выходе струи из сопла. В данном случае рис. 2.6,b (x/d=0,3) представляет область до кольцевого вихря х= 13 мм, а рис. 2.6,с (x/d = 0,5) - область кольцевого вихря д: = 20 мм. В последнем случае явно видно, что интенсивность и размеры "лучей" увеличились, что связано с взаимодействием кольцевого вихря с полосчатыми структурами. Акустическое воздействие на струю приводит к интенсификации процесса взаимодействия струи с полосчатыми структурами. Это хорошо видно на рис. 2.7, где показано поперечное сечение струи при х/а = 0,5 (рис. 2.7,а) без акустики и на той же координате х/У=0,5 с акустическим воздействием (рис. 2.7,Ь). В последнем случае, процесс взаимодействия кольцевого вихря с полосчатыми структурами явно усилился, что видно из увеличения размеров лучей и придания им грибообразной формы. Грибообразную форму "лучей" при взаимодействии продольных вихрей с кольцевыми отмечали и авторы работы [77].
Таким образом, визуализация течения в круглой струе в естественных условиях демонстрирует существование как кольцевых вихрей, так и полосчатых структур, которые генерируются непосредственно на выходе из сопла. Акустика усиливает процесс взаимодействия полосчатых структур с кольцевыми вихрями. Следует заметить, что полосчатые структуры подвержены воздействию радиальных колебаний, что приводит к сложности детального наблюдения и измерений структуры течения. С целью устранения данной проблемы, естественные полосчатые структуры были воспроизведены искусственно с помощью наклеенных на внутреннюю поверхность сопла (вблизи выхода) элементов шероховатости, размеры которых коррелировали с масштабом естественных продольных структур (12 элементов шероховатостей с размерами каждого элемента: вы-сота-0.2 мм, ширина-5 мм).
На картине дымовой визуализации общего вида струи (см. рис. 2.8) можно наблюдать нелинейный характер развития струи. При синхронизации схода кольцевых вихрей с основной частотой и кратными частотами явно просматривается последовательность вихрей кратных основной частоте (два кольцевых вихря на рис. 2.8,а) и первой кратной гармонике (четыре кольцевых вихря на рис. 2.8,Ь). При синхронизации процесса развития струи с частотой второй гармоники можно было наблюдать и восемь кольцевых вихрей (здесь не показано). Следует также отметить, что на всем протяжении вниз по потоку наблюдается постепенное расширение струи, что явно связано с азимутальными "лучами" способствующими процессу вовлечения в струю окружающего ее газа.
Рассмотрим более подробно течение в струе в поперечном и продольном направлениях при введении контролируемых возмущений. Визуализационные картины данного течения на различных расстояниях от среза сопла вниз по потоку представлены на рис. 2.9. Видно, что вблизи сопла рис. 2.9,Ь внешняя граница кольцевого вихря синусоидально искажена по всей окружности. При x/d = 0.3 (рис. 2.9,с) наблюдаются искажения синусоидального контура, на котором появляются азимутальные "лучи", что обусловлено взаимодействием первого кольцевого вихря и продольных структур, генерированных на выходе из сопла. Далее вниз по потоку x/d = 0.5 (рис. 2.9,d), в центре первого кольцевого вихря, искажение увеличивается, азимутальные выбросы ("лучи") приобретают вид узких шпилек, на концах которых, можно наблюдать появление грибообразных структур очень похожих на те, что наблюдали авторы работы [77] и идентифицированные нами как пара вихрей, вращающихся в противоположных направлениях. В области между первым и вторым кольцевыми вихрями x/d = 0.65 (рис. 2.9,е), кольцевые вихри не наблюдаются, но интенсивность "лучей" растет. При x/d=0.S (рис. 2.9,f) появляется второй кольцевой вихрь и наблюдается динамика в развитии "лучей", особенно после прохождения второго кольцевого вихря при x/d- 1.2 (рис. 2.9,g). Далее вниз по потоку происходит интенсивное смешение струи с окружающим газом за счет развития "лучевых" структур, пока вся струя не станет турбулентной при x/d = 1.7 (рис. 2.9,h). Следует отметить, что благодаря стробоскопированию мы наблюдали непосредственно за динамикой развития вниз по потоку процесса взаимодействия кольцевых вихрей с полосчатыми структурами.
Визуализация течения в плоской струе
В работе метод PIV (Particle Image Velocimetry) был применен для изучения плоской пристенной струи. Как известно принцип работы метода PIV основан на следующем: в поток газа жидкости или газа добавляются трассеры — частицы малого размера (рис. 4.36). Размер, плотность и объемная концентрация частиц подбирается таким образом, что бы эффекты, связанные с влиянием второй фазы на поток, были минимальными, так же, как и влияние сил плавучести, кроме того, оптическая прозрачность среды оставалась на приемлемом уровне. В потоках жидкости (воды) используются, как правило, твердые частицы с плотностью, близкой к плотности среды, реже - мелкие газовые пузырьки. В нашем случае, для газового потока, в качестве трассеров использовались мелкие капли жидкости, распыляемые специальным устройством. Частицы в измерительной плоскости потока должны быть освещены минимум дважды (временная задержка между вспышками источника света подбирается в зависимости от скорости потока и размера измерительной области). Образы трассеров регистрируются на последовательность кадров на носители (цифровые камеры). Последующая обработка изображений позволяет рассчитать смещения частиц за время между вспышками источника света и построить двухкомпонентное поле скорости.
В качестве источника освещения использовался двойной импульсный лазер, что позволило получить малую временную задержку между импульсами и расширить диапазон измеряемых скоростей.
Основным элементом PIV методики является обработка полученных изображений. В нашем случае использовался кросс-корреляционный алгоритм, когда начальные и конечные положения трассеров регистрируются на различных кадрах. Вся измерительная область разбивается на элементарные ячейки (расчетные области) размером dx х dx (см. рис. 4.37). Интенсивность отраженного от частиц и зарегистрированного камерой света представляется функцией двух переменных хну: Ii(x,y) и Щх.у) для первого и второго кадра соответственно. Для расчета корелляционной функции использовался стандартный алгоритм быстрого преобразования Фурье.
Рассчитав наиболее вероятное перемещение частиц D в данной элементарной области можно вычислить скорость потока в точке, соответствующей центру элементарной измерительной скорости (At - заданная временная задержка между двумя освещающими вспышками): V=SD/At где S - масштабный коэффициент. Выполняя указанные операции (см. рис. 4.37) для каждой элементарной области, на которые разбито изображение, можно определить поле скорости для всей области. В нашем случае использовался базовый вариант PIV методики, т.е. измерялась проекция мгновенной скорости на плоскость лазерного ножа и результатом измерений является мгновенное двухкомпонентное поле скорости.
На рис. 4.38 показаны снимок плоскости yz плоской пристенной струи {слева), изолинии F-компоненты скорости {справа сверху) и векторное поле скоростей для VnW-компонент скорости (справа снизу) в х- 120 мм от выхода сопла. Можно заметить, что на снимке в этой плоскости хорошо различимы грибовидные структуры. На векторном поле скоростей хорошо видна возможность количественного измерения для обоих ком понент скорости. Это видно при сравнении рис. 4.39 и рис. 4.40 , на которых показаны векторное поле скоростей для V и JT-компонент скорости (слева) и изолинии V-компоненты скорости (справа) для JC = 102 мм и д: = 154 мм, соответственно. Из этих рисунков хорошо видно выделение продольных структур вниз по потоку. На рис. 4.41 показано снимок xz плоскости, векторное поле скоростей для V и -компонент скорости, в у = 19 мм. К сожалению, пока не удается хорошо выделить продольные структуры в потоке, хотя неоднородности возмущений отчетливо видны.
1. Изучение плоской пристенной струи при помощи детальных термоанемометриче-ских измерений и дымовой визуализации показало, что продольные структуры могут генерироваться непосредственно на выходе из сопла, как и в случае круглой струи.
2. Найдено, что поперечный размер шероховатостей коррелирует с поперечным размером продольных структур.
3. Найдено, что искусственное возбуждение двумерных волн Кельвина - Гельмголь-ца различной частоты оказывает влияние на размер в поперечном направлении и амплитуду продольных структур. Взаимодействие двумерной неустойчивости с трехмерными полосчатыми структурами позволяет ускорять или затягивать процесс турбулизации струи.
4. Из дымовой визуализации и термоанемометрических измерений найдено, что увеличение числа Рейнольдса на выходе приводит к ускорению процесса турбулизации струи и уменьшению характеристического размер продольных структур, что вызвано уменьшением толщины слоев сдвига.
5. Использование метода PIV показывает, что в перпендикулярном сечении продольные структуры отчетливо идентифицируются, и возможно получение количественных результатов для них в этой плоскости. В то же время в плоскости вдоль потока не удалось получить количественных результатов для этих структур, что указывает на необходимость дальнейшего усовершенствования методик наблюдения.
Ближнее поле плоской пристенной струи в естественных условиях
Стационарные продольные структуры
Экспоненциально растущие возмущения, изученные в предыдущем пункте, известны как доминирующая неустойчивость потока имеющего точку перегиба. Это справедливо для слоя сдвига при низком уровне возмущений набегающего потока, а так же для пристенной струи. С другой стороны, многие исследования пристенных пограничных сдвиговых течений показывают, что трехмерные возмущения различного типа могут доминировать в процессе перехода, особенно в сильно возмущенном потоке (см. например [16]). Для возмущенных свободных слоев сдвига определяющая роль продольных возмущений установлена в [62]. С увеличением числа Рейнольдса уровень возмущений в потоке увеличивается и неидеальность экспериментальной установки перестает играть большую роль в развитии струи.
На рис. 5Л0,справа показан рассчитанный оптимальный рост G, достигаемый в х = 1.55 (а = 0 и со = 0), как функция поперечного волнового числа /?. По этому графику можно определить оптимальный поперечный размер структуры /? 0.29. В эксперименте стационарные продольные структуры вводились в поток равномерно распределенными шероховатостями, которые были расположены на верхней кромке сопла. Генерировались поперечные размеры с /? от 0.175 до 0.574 шероховатостями шириной от 1 до 3 мм. На рис. 5.10,слева показано спектральное разложение амплитуды продольной структуры для трех наибольших поперечных размеров /? = 0.264 (о), Р = 0.218(D) И /? = 0.176 (А), при х=1.55. Другие два размера - 1 мм и 1.5 мм - были затухающими. Нужно отметить, что один из введенных размеров, /?= 0.218, приводит к наибольшей амплитуде возмущений с оптимальной восприимчивостью; продольные структуры такого размера наблюдались для невозбужденного шероховатостями течения на нелинейной стадии (см. рис. 5.12). Из сравнения оптимальных поперечных размеров, полученных теоретически и экспериментально, можно сделать вывод, что теоретический размер чуть меньше, но все же достаточно близок к наблюдаемому в эксперименте.
На рис. 5.11,справа, сопоставляются экспериментальное и расчетное распределение амплитуды продольной составляющей скорости возмущения по нормали к стенке при х= 1.55. Совпадение эксперимента и теории в данном случае очень хорошее. Распределение полученных в эксперименте и представленных на графике поперечных размеров возмущений для различных /? подобно, этот факт также наблюдается в расчетах в широком интервале размера структур. В эксперименте возмущения генерировались шероховатостями, но и турбулентность набегающего потока является возможным механизмом возбуждения продольных структур, как, например, для пограничного слоя плоской пластины [16]. Нарис. 5.11,слева показано оптимальное возмущение в х= 1, где изображена одна поперечная длина волны возмущения. На верхнем графике рис. 5.11,слева компоненты поперечной скорости показаны векторами, а на нижнем графике продольная компонента скорости показана контурами. Оптимальное возмущение состоит из компоненты продольной скорости, развивающейся в продольной структуре. При z = 0 низкоскоростная жидкость двигается вниз из верхней области, порождая низкоскоростную продольную структуру в слое сдвига. Противоположное движение наблюдается на краях графика, на расстоянии половины длины волны, где высокоскоростная жидкость двигается вверх от ядра струи, и в слое сдвига формируются высокоскоростные структуры. Это явление аналогично, тому, которое можно наблюдать в пограничном слое.
Визуализация потока продемонстрировала важность роли трехмерных эффектов в процессе перехода, см. рис. 5.12, где волны генерировались динамиком, и никакого другого механизма генерирования трехмерных возмущений не использовалось. Тем не менее, в потоке формируются однородные продольные вихри. Визуализация проводилась при помощи дыма и синхронизованного лазерного ножа. Дым создавался специальным генератором и подавался на вентилятор установки струи. На рис 5Л2,слева лазерный нож расположен параллельно стенке, рис. 5.12,а примерно на расстоянии 5 мм от нее, на рис. 5.12,Ь на расстоянии 10 мм от стенки. На рис. 5А2,справа визуализация выполнена лазерным ножом, расположенным перпендикулярно к потоку. На рис. 5.12,с визуализируется область между двумерными волнами, на рис. 5.12,d - область взаимодействия двумерной волны и продольных структур. Данная визуализация демонстрирует явление схожее с наблюдаемым в свободном слое сдвига [59, 60]. Наличие продольных структур на выходе из сопла свидетельствует о том, что они генерировались некоторыми неодно-родностями в установке, что подтверждает их постоянное месторасположение. В данном случае, когда использовалось сопло с высотой выходного отверстия h = 3 мм, наблюдается большая стабилизация продольных структур по сравнению с широкой струей, описанной в главе 4 с близким числом Рейнольдса. Это происходит из-за высокой устойчивости боковой части данной пристенной струи относительно случайных возмущений, благодаря вязкому опрокидыванию возле стенки.
На рис. 5.13 представлена визуализация нелинейного взаимодействия между двумерной волной и продольной структурой, полученная из прямого численного моделирования (Д. Хеннингсон и О. Левин). На рис. 5.14 показаны два сечения этой визуализации. На рис. 5.13 изоповерхности положительной продольной скорости возмущений, показанные средне-серым; отрицательные изоповерхности продольной скорости возмущений показаны светло-серым и Х2 изоповерхность темно-серым. В качестве начального условия моделирования возмущений использовались функции оптимальной продольной структуры и собственной моды, что и позволило изучить процесс взаимодействия. При сравнении экспериментальной визуализации рис. 5.12а,Ь и ПЧМ на рис. 5.13 можно заметить хорошее совпадение в наблюдаемых явлениях. На поздней стадии перехода происходит распад двумерности потока и преобладание продольных структур.
