Содержание к диссертации
стр.
Основные условные обозначения. 7
Введение 8
Глава I. Предшествующие исследования проблемы возникновения
турбулентности в пограничных слоях. 17
-
Общее описание проблемы, 17
-
Стадии перехода к турбулентности, 19
-
Восприимчивость к внешним возмущениям. 19
-
Линейная устойчивость, 21
-
Слабонелинейные взаимодействия волн неустойчивости. 26
-
Существенно нелинейные стадии перехода. ,31
Глава II. Развитие методов исследования нелинейных
стадий перехода. .39
-
Малотурбулентная аэродинамическая труба. 39
-
Экспериментальная реализация автомодельного течения с постоянным отрицательным параметром Хартри и сравнение с расчётным. 39
-
Потенциальное течение 41
-
Пограничный слой. 42
-
Возбуждение трёхмерных волн неустойчивости контролируемого частотно-волнового спектра с помощью модифицированного универсального источника. Схема измерений. 44
-
Получение мгновенных пространственных полей
скорости и завихренности течения и их отображение., 49
2.5. Методы исследования возмущений сплошного спектра. 51
2.5.1. Метод детерминированного шума для изучения
поздних стадий перехода.. 51
2.5.2. Метод модельной турбулентности для исследования
механизмов порождения пристенной турбулентности. 52
Глава III. Слабонелинейные стадии перехода пограничного слоя
с ПГД. Влияние расстроек по поперечным волновым
числам. 55
-
Начальные возмущения и режимы измерений. 55
-
Субгармонический резонанс волн неустойчивости ,59
-
Осциллограммы и спектры пульсаций скорости 59
-
Собственные функции возмущений 61
-
Характеристики трёхмерности 64
-
Дабл-экспоненциальное усиление субгармоник ,67
-
Фазовый синхронизм волн в триплете ,73
3.3. Субгармонические резонансы с расстройкой по поперечным
волновым числам. 76
3.3.1. Характеристики субгармоник с расстройками
по поперечному волновому числу. 76
-
Нарастание амплитуд субгармоник с расстройками. Сопоставление со случаем точного резонанса. 78
-
Эволюция фаз субгармоник с расстройками и фазовый синхронизм с основной волной неустойчивости..^ 82
-
Спектральная ширина резонанса по
поперечным волновым числам. 85
Глава IV. Поздние стадии перехода, инициируемого
гармонической волной неустойчивости в
пограничном слое с ІІГД. 89
4.1. Процедура измерений. 89
4.1.1. Модуляция по размаху и спектры возмущений скорости
в начальном сечении. ,90
4.1.2. Начальные профили амплитуд и фаз частотных гармоник
по нормали к поверхности. 93
4.1.3. Мгновенные поля начального возмущения скорости
в пространстве (-/, у, z). \ .93
4.2. Формирование шипов и Л-структур. ,96
4.2.1. Эволюция осциллограмм и частотных спектров.
Появление шипов во времени и пространстве.. ,96
4.2.2. Деформация волновых фронтов, появление Л-структур
и слоя сильного сдвига. 100
4.2.3. Форма Л-структуры в пространстве. Сравнение
с пограничным слоем Блазиуса. 104
4.3. Дальнейшая эволюция вихревых структур. Порождение
кольцевых вихрей. , 112
4.3.1. Локализация и умножение шипов на
осциллограммах пульсаций. 112
4.3.2. Генерация Л-структурами кольцевых вихрей., 113
-
Возникновение локализованных областей низкой мгновенной скорости потока. Связь с шипами. 113
-
Форма кольцеобразных вихрей. Сопоставление со случаем безградиентного пограничного слоя. 118
4.4. Выводы о влиянии градиента давления на
поздние стадии перехода. 121
Глава V. Нерегулярные когерентные структуры в переходе,
инициируемом псевдослучайными возмущениями. 122
-
Процедуры возбуждения возмущений и сбора данных. 122
-
Начальные свойства возбуждаемых волн неустойчивости. 128
-
Распределения по размаху, спектры и осциллограммы возмущ
-
Начальные профили возмущений по нормали к стенке
и искажения среднего потока. 130
5.2.3. Мгновенные поля начальных возмущений скорости
в пространстве (~t, у, z)- 132
5.3. Формирование стохастизованных вихревых структур, 135
-
Эволюция осциллограмм. Зародыши шипов. 135
-
Формирование Л-структур и начало
искажения среднего потока. 138
5.4. Последующая эволюция вихревых структур. Формирование
ко л ьцевых ви хрей. 142
-
Локализация и умножение шипов на осциллограммах. 142
-
Эволюция Л-структур и нарастание искажений
среднего потока. , 146
5.4.3. Порождение кольцевых вихрей.. 151
5.5. Выводы в контексте гипотезы о структуре развитой пристенной
турбулентности. 152
Глава VI. Сверхпоздние стадии перехода пограничного слоя с НГД.
Возможность реализации модельной (детерминированной)
пристенной турбулентности 155
6.1. Возбуждение контролируемых возмущений сплошного спектра
и процедура измерений., 156
9 6.2. Свойства возмущений в начальном сечении и на поздних стадиях
перехода. 160
-
Начальные возмущения потока. 160
-
Стадия развитых Л-вихрей. 168
6.3. Сверхпоздние стадии перехода и свойства постпереходной
турбулентности. 174
-
Профили средней и пульсационной скорости и спектры возмущений на сверхпоздних стадиях перехода. 174
-
Степень детерминированности возмущений и свойства когерентной части пульсаций скорости... 180
-
Когерентные вихревые структуры в модельном турбулентном пограничном слое. Проекции на стенку., 193
-
Когерентные вихревые структуры в модельном турбулентном пограничном слое. Форма
и расположение относительно стенки. 199
Заключение 208
Литература _ ; 211
Апробация работы и список публикаций
по теме диссертации 227
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
х — продольная координата;
у — нормальная к стенке координата;
z — координата по размаху модели;
5 — толщина пограничного слоя;
51 — толщина вытеснения пограничного слоя;
52 — толщина потери импульса пограничного слоя;
U — продольная компонента скорости потока;
v — кинематическая вязкость воздуха;
Re=UbJv — локальное число Рейнольдса;
/ — частота возмущений;
частотный параметр возмущении;
осг — продольное волновое число;
р — поперечное волновое число;
6 — угол наклона волны к направлению потока;
-а{ — пространственный инкремент нарастания возмущений;
2М — двумерный;
ЗМ — трехмерный;
Введение к работе
Проблеме перехода ламинарных пограничных слоев в турбулентное состояние посвящено большое количество, как экспериментальных, так и теоретических исследований в области механики жидкости и газа. Интерес к проблеме возникновения турбулентности обусловлен, без сомнения, её' большим фундаментальным и прикладным значением, связанным с широким распространением явления ламинарно-турбулентного перехода в различных природных процессах, с одной стороны, и во всевозможных технических задачах и устройствах, с другой.
С фундаментальной точки зрения остаётся не решённой важная проблема теоретического описания пристенной турбулентности, которая тесно связана с проблемой описания процесса перехода ламинарных пристенных течений в турбулентное состояние. Несмотря на то, что многие задачи исследования различных этапов ламинарно-турбулентного перехода были успешно решены, ряд очень важных аспектов этого сложного явления остаётся неясным. Несомненно, что успешное развитие теории, а также методов прямого численного моделирования, немыслимо без их верификации путём сопоставления с экспериментальными результатами. Такое взаимодействие, в частности, обеспечивает поддержку инженерных методов расчёта переходного и турбулентного пограничного слоя.
Говоря о прикладном значении исследований проблемы порождения 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 и управления характеристиками переходных и турбулентных течений, которые в свою очередь, существенно влияют на возникновение отрывных явлений, на коэффициенты сопротивления, подъемной силы, теплопередачи и т.п.
Положение и характер перехода к турбулентности зависит, как правило, от характеристик линейной устойчивости пограничного слоя по отношению к различным модам собственных возмущений и от его восприимчивости к разного рода внешним возмущениям. Однако, некоторые наиболее сильные механизмы нелинейных стадий перехода (такие, как резонансные взаимодействия мод неустойчивости) также могут оказывать существенное влияние на положение перехода, приводя к бурному (дабл-экспоненциальному) росту возмущений, которые по линейной теории устойчивости могут нарастать очень слабо, или даже затухать.
К настоящему времени задачи слабонелинейных взаимодействий мод неустойчивости довольно подробно исследованы экспериментально, теоретически и в рамках прямого численного моделирования переходных течений. Однако, большинство этих исследований выполнено для безградиентного пограничного слоя на плоской пластине (Блазиуса) и, в гораздо меньшей степени, для градиентных пограничных слоев, широко распространённых на практике. В частности, большой интерес представляет исследование указанных проблем в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления (НГД), поскольку во многих реальных ситуациях (например, на крыльях планеров и самолётов) переход часто происходит именно в области пограничного слоя с НГД. В предыдущих исследованиях обнаружено, что одним из доминирующих механизмов на начальных, слабонелинейных стадиях перехода является резонансное взаимодействие волн неустойчивости субгармонического типа. Коэффициенты усиления возмущений обусловленные, в частности, резонансными взаимодействиями достигают, как правило, на этих стадиях наибольших величин, значительно превышающих, как линейные инкременты, так и скорости нарастания на существенно нелинейных стадиях перехода. В то же время, доминирующие механизмы нелинейных стадий перехода пограничного слоя с НГД исследованы далеко не полностью. Например, возможность реализации резонансных взаимодействий волн неустойчивости при наличии существенных расстроек резонансных триплетов по поперечным волновым числам (которые часто встречаются при случайных, «естественных» возмущениях), остаются пока экспериментально не изученной, как и степень и характер влияния этих расстроек на усиление волн неустойчивости.
Изучение поздних, существенно нелинейных стадий перехода проводилось в течение многих лет в ряде экспериментальных групп, а также путем прямого численного моделирования переходных течений в рамках полных нестационарных уравнений Навье-Стокса. При этом основным объектом исследования был, как правило, простейший пограничный слой на плоской пластине (Блазиуса). Результаты исследований показали, что на поздних стадиях перехода волны неустойчивости трансформируются в концентрированные вихревые структуры нескольких типов, тесно связанные между собой. Было также найдено, что эти структуры обнаруживают свойства универсальности, в смысле слабой зависимости их характеристик от начального спектра возмущений. Измерения и прямое численное моделирования показали, также, что вихревые структуры, найденные в переходном пограничном слое очень напоминают когерентные вихревые структуры, наблюдаемые в развитом турбулентном пограничном слое. Это сходство привело некоторых исследователей к выводу о существовании глубокой физической аналогии механизмов порождения пристенной турбулентности в переходных и турбулентных течениях. Исследования этих процессов на поздних и сверхпоздних стадиях перехода стали в связи с этим очень актуальными, поскольку проведение соответствующих измерений в развитом турбулентном пограничном слое сопряжено с гораздо большими методическими трудностями.
Гипотеза об универсальности вихревых структур, обнаруженных как в переходных, так и в турбулентных течениях, нуждается, однако, в обосновании и дополнительном подтверждении. В особенности это относится к случаям перехода, инициируемого не гармонической волной неустойчивости (как в большинстве предыдущих экспериментов), а широкополосными (случайными) возмущениями, характерными как для «естественного» перехода, так и для турбулентного течения. Столь же актуальным является и вопрос о необходимости экспериментального исследования сверхпоздних стадий перехода (т.е. постпереходного турбулентного течения) в условиях контролируемых (детерминированных) возмущений. Исследования такого рода не проводились, хотя они чрезвычайно важны для углубления аналогии между процессами порождения турбулентности в переходных и турбулентных течениях и для более глубокого изучения этих процессов.
Отмеченные выше обстоятельства подчёркивают актуальность настоящей работы, которая посвящена экспериментальному исследованию трёх аспектов проблемы порождения турбулентности в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления. А именно, в работе изучены: а) триплетные резонансные взаимодействия трёхмерных волн неустойчивости на слабонелинейных стадиях перехода в присутствии расстроек по волновым числам; б) механизмы формирования и развития вихревых структур на поздних, существенно нелинейных, стадиях перехода при различных начальных спектрах возмущений; в) возможность создания модельной (детерминированной) турбулентности на основе применения метода детерминированного шума к исследованию постпереходного течения (т.е. сверхпоздних стадий перехода), в котором все основные осреднённые характеристики уже соответствуют развитому турбулентному пограничному слою.
Цель настоящей экспериментальной работы заключалась в следующем.
С помощью методов контролируемых возмущений (включая метод детерминированного шума), провести подробное экспериментальное исследование механизмов нелинейного разрушения ламинарного пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления и изучить возможность создания модельной (детерминированной) пристенной турбулентности, При этом предполагалось решить следующие основные задачи: а) на слабонелинейных стадиях перехода исследовать свойства резонансных взаимодействий двух- и трёхмерных волн неустойчивости субгармонического типа в резонансных триплетах с расстройкой по волновым числам; б) изучить механизмы формирования и свойства вихревых когерентных структур, возникающих на поздних стадиях перехода, инициируемого квазидвумерной гармонической волной неустойчивости и сопоставить полученные результаты с предыдущими, полученными экспериментально и численно в пограничном слое Блазиуса; в) с помощью метода детерминированного шума исследовать процессы порождения и свойства вихревых структур, возникающих на поздних стадиях перехода, инициируемого широкополосными (квази-случайными) возмущениями частотно-волнового спектра в присутствии гармонической двумерной волны ТШ и сопоставить результаты с периодическим (детерминированным) случаем; г) изучить возможность создания (на сверхпоздних стадиях перехода) постпереходной модельной (детерминированной) пристенной турбулентности с осреднёнными характеристиками, соответствующими развитому турбулентному пограничному слою и исследовать её мгновенную структуру с помощью метода детерминированного шума.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы и содержит 228 страницы, включая 154 страниц текста, 92 иллюстрации и 172 наименований цитируемой литературы.
В главе I приводится обзор предыдущих экспериментальных теоретических и численных исследований по теме диссертационной работы. Рассматривается текущее состояние исследований процесса перехода в пограничных слоях, включая стадии возбуждения и линейного развития волн неустойчивости; основное внимание уделяется стадии слабонелинейного взаимодействия волн неустойчивости и завершающим, существенно нелинейным стадиям порождения вихревых структур и окончательного разрушения ламинарного течения. Обосновывается важность выбранного направления исследований.
В главе II описывается экспериментальная установка (Т-324), экспериментальная модель и характеристики исследуемого автомодельного погранслойного течения с НГД, а также условия проведения экспериментов и методы измерений. Рассматриваются созданные в рамках данной работы экспериментальные методы исследований: модифицированный универсальный источник трёхмерных возмущений пограничного слоя; применение метода детерминированного шума для исследований поздних и сверхпоздних стадий перехода к турбулентности и метод модельной турбулентности, основанный на исследовании постпереходного турбулентного пограничного слоя в условиях контролируемых широкополосных возмущений. Приводится описание основных методик анализа результатов измерений, используемых в работе, в частности — методик получения мгновенных пространственных полей скорости и завихренности течения, отображения и анимации массивов экспериментальных данных.
В главе III представлены результаты экспериментального исследования слабонелинейной стадии перехода пограничного слоя с НГД. Основное внимание уделено изучению свойств резонансов волн ТШ субгармонического типа в триплетах с расстройкой по поперечным волновым числам. В широком диапазоне расстроек (от -100 до + 200% от резонансного волнового числа субгармоники) приводятся основные характеристики взаимодействий. Результаты сопоставляются с данными предыдущих исследований, полученными для точных и частотно-расстроеных резонансов. Обнаружена большая ширина резонанса в спектре поперечных волновых чисел.
В главе IV описываются результаты экспериментального исследования поздних стадий перехода, инициируемого в пограничном слое с НГД гармонической, квазидвумерной волной неустойчивости. В частности, приводятся мгновенные пространственные поля возмущений и их анимация, визуализируются возникающие вихревые структуры нескольких типов и анализируются их свойства. Проводится сравнение обнаруженных структур с теми, что были найдены ранее в безградиентном пограничном слое (Блазиуса) и делается вывод о слабой зависимости явлений, наблюдаемых на поздних стадиях перехода, от продольного (неблагоприятного) градиента давления.
В гла ве V приводятся результаты экспериментального исследования когерентных вихревых структур, возникающих на поздних стадиях перехода, инициируемого широкополосными (псевдослучайными) возмущениями в присутствие гармонической квазидвумерной волны ТШ Представлены мгновенные пространственные поля возмущений и их анимация, полученные благодаря использованию метода детерминированного шума. На основе термоанемометрических измерений получена визуализация возникающих вихревых структур, расположенных в случайном порядке во времени и пространстве. Проводится сравнение обнаруженных структур с теми, что были найдены в случае гармонических начальных возмущений (глава IV) и делается вывод об их большом качественном сходстве; анализируются обнаруженные отличия.
В главе VI излагаются результаты эксперимента по исследованию сверхпоздних стадий перехода с главной целью изучения возможности создания модельной (детерминированной) пристенной турбулентности. Постпереходный турбулентный пограничный слой инициируется интенсивными широкополосными (псевдослучайными во времени и пространстве) волнами неустойчивости с добавкой гармонической квазидвумерной волны ТШ. Проводится сопоставление основных осреднённых характеристик постпереходного течения с теми, что известны из исследований развитого турбулентного пограничного слоя и отмечается их сходство.
Анализируется когерентность пульсаций скорости в постпереходном течении с контролируемыми начальными возмущениями. Благодаря использованию метода детерминированного шума реконструируются мгновенные поля пульсаций скорости в пристенной области и во внешней части постпереходного пограничного слоя. Проводится сопоставление обнаруженных структур с теми, что были найдены на поздних стадиях перехода (главы IV и V). Делается основной вывод о принципиальной возможности создания модельной (детерминированной) пристенной турбулентности,
В заключении сформулированы основные выводы работы.
На защиту выносятся: применение метода детерминированного шума для исследования мгновенной структуры течения (включая визуализацию и анимацию вихревых структур) на поздних стадиях перехода к турбулентности; идея метода «модельной турбулентности» для исследования постпереходных турбулентных пограничных слоев, основанного на применении метода детерминированного шума к сверхпоздним стадиям перехода; результаты экспериментального исследования резонансных взаимодействий волн неустойчивости в пограничном слое с НГД в триплетах субгармонического типа с расстройками по поперечным волновым числам; результаты экспериментального исследования поздних стадий ламинарно-турбулентного перехода, вызываемого гармонической квазидвумерной волной ТШ в пограничном слое с НГД; результаты экспериментального исследования поздних стадий перехода к турбулентности, индуцируемого широкополосными (псевдослучайными) возмущениями в присутствии гармонической к вази двумерной волны ТШ в пограничном слое с НГД; - результаты экспериментального исследования возможность создания (на сверхпоздних стадиях перехода) постпереходной модельной (детерминированной) пристенной турбулентности с осреднёнными характеристиками, соответствующими развитому турбулентному пограничному слою.
Личный вклад автора.
Автор участвовал в определении задач исследования, подготовке экспериментов (включая изготовление и подготовку экспериментальных моделей и источника возмущений), проведении экспериментов, обработке и
4 анализе полученных результатов, подготовке большинства публикаций (совместно с научными руководителями).
Автор считает необходимым выразить искреннюю признательность научным руководителям, д.ф.-м.н., профессору Ю.С. Качанову и к.ф.-м.н. В.И. Бородулину за всестороннюю помощь, оказанную в период выполнения работы, а также коллегам и соавторам к.ф.-м.н. А.В. Иванову, к.ф.-м.н. Д.Б. Копцеву, доктору-инженеру С. Баке, д.ф.-м.н., профессору В.В. Козлову и всему коллективу лаборатории № 8 ИТПМ СО РАН за постоянную поддержку.
Исследования, результаты которых вошли в данную работу, выполнялись в рамках госбюджетного проекта «Экспериментальные исследования устойчивости и возникновения турбулентности в дозвуковых течениях и управление структурой потока (включая МЭМС-технологию)» плана научных исследований ИТПМ СО РАН (приоритетное направление 5, 2,2.2, программа СО РАН 5.1), а также в рамках проектов, поддержанных Российским Фондом Фундаментальных Исследований (гранты № 00-01-00835 и № 03-01-04003).
