Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена требованиями практической аэро- и гидродинамики, где возникла необходимость экспериментального и численного исследования вязкого взаимодействия потоков около тел, расположенных вблизи других поверхностей. Картина обтекания при этом значительно усложняется, каждое тело уже нельзя считать независимым источником возмушений в потоке. В данной работе изучается влияние плоского экрана на поперечное обтекание цилиндра. Такой объект является типичным в различных областях техники. Примером могут служить коммуникации, проложенные по дну водоемов, элементы теплообменников, аэрокосмические аппараты в стартовых условиях и др.
При относительно большом числе исследований одиночного цилиндра картина обтекания его вблизи экрана остается мало изученной. Имеющиеся экспериментальные данные (Бирман,1978; Аиба,1985, Ангрилли,1982) получены главным образом в области малых, локритических чисел Рейнольдса (Re<10 ) и преимущественно при умеренных и больших зазорах между цилиндром л экраном, т. е. вне области сильного взаимодействия. Фактически неисследованным является влияние вращения иилиндра на его обтекание вблизи экрана.
Целью работы является экспериментальное исследование поперечного обтекания неподвижного и вращающегося цилиндра, а также его колебаний при упругом креплении вблизи плоского экрана. Изучалась область околокритических чисел Рейнольдса. Особое внимание уделено течению при малых расстояниях между цилиндром и экраном, т. е. в области сильного вязкого взаимодействия. Проведено численное моделирование отрывного обтекания неподвижного и вращающегося вблизи экрана цилиндра при разных зазорах между ними и параметрах вращения цилиндра.
Научная новизна работы представлена экспериментальными и численными результатами, полученными в малоисследованной области параметров течения около цилиндра с экраном. Рассмотрены малые зазоры, ололокритические числа Рейнольдса, а также влияние вращения цилиндра. Установлены зависимости характеристик течения от величины зазора. Обнаружен и объяснен качественно новый эффект
аномального поведения параметров течения при малых зазорах. Впервые наблюдались автоколебания цилиндра типа галопирования под влиянием близкого экрана. Определена область существования этих колебаний. Детально изучена структура среднего и пульсационного течения в окрестности цилиндра и вдоль близко расположенного экрана. Проведена визуализация течения.Новыми являются также результаты численного моделирования отрывного обтекания не-вращающегося цилиндра вблизи экрана в широком диапазоне зазоров между ними. Впервые численным методом исследовано влияние вращения цилиндра вблизи экрана на локальные и интегральные характеристики течения. Обобщены и систематизированы экспериментальные и расчетные данные. Постороена физическая модель течения в окрестности цилиндра, расположенного на малом расстоянии от экрана.
Научная и практическая ценность. Обнаружение новых эффектов при малых расстояниях между цилиндром и экраном - аномального поведения характеристик течения, возникновения автоколебаний цилиндра, особенностей переходных процессов на цилиндре и экране - позволяет расширить представление о структуре течения и вязком взаимодействии в системе цилиндр-экран. Результаты экспериментального и численного исследования могут использоваться для уточнения методик расчета ветровых нагрузок на высотные сооружения и их элементы, с целью повышения эффективности работы оборудования ТЭС, АЭС, теплообненной и химической аппаратуры, при проектировании и эксплуатации подводных сооружений. Данные по аэроупругим колебаниям цилиндра ногут быть также полезны для поисков методов управления динамическими процессами, связанными с автоколебаниями конструкций, растоложенных вблизи других поверхностей.
На защиту выносятся результаты непосредственных измерений аэродинамических сил (подъемной и сопротивления) цилиндра, расположенного вблизи экрана, в том числе обнаружение и анали? аномального поведения подъемкой силы при очень малых зазорах; результаты экспериментальных исследований распределения давления на цилиндре и экране при близком их расположении; результаты экспериментальных исследований структуры среднего и пульсационного течения в окрестности цилиндра, расположенного вблизи экрана; физическую модель течения в системе цилиндр-экран в области аномального поведения характеристик обтекания.
Аппробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на I конгрессе по механике ГЛР(Карл-Маркс-Штадт, 1983), на 11 Всесоюзной конференции по проблемам турбулентных
течений (Жданов, 1984), на II Всесоюзной школе по гидродинамике больших скоростей (Чебоксары,1984), на конференции по прикладной аэродинамике (Киев,1984), на III Всесоюзной конференции по проблемам турбулентных течений (Жданов,1986), на III Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Транспарус-86" (Николаев,1986), на IV Республиканской конференции по прикладной гидромеханике(Киев, 1987), на Всесоюзном семинаре по отрывным и струйным течениям (Новосибирск, 1988),на Всесоюзном семинаре по гидродинамической устойчивости и турбулентности (НовосибирскДЭВЭ), на 111 Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов гидродинамики (Алушта, 1989), на Всесоюзной научно-технической конференции по гидроупругости и долговечности конструкций энергетического оборудования (Каунас,1990), на Международном ИЮТАН-симпозиуме по отрывным течениям и струям (Новосибирск, 1990), на Всесоюзной конференции по нелинейным колебаниям механических систем (Горький. 1990).
Основные результаты работы содержатся в 14 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Полный объем -197 страниц, в том числе 70 страниц рисунков. Список цитируемой литературы содержит 110 наименований и дополнен работами автора - 21 публикация.