Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальной проверке предсказаний механизмов обмена массы и импульса между потенциальной и турбулентной частями потока в области перемежаемой турбулентности, встречающейся в сдвиговых турбулентных течениях со свободной поверхностью. Мы исследуем вопрос о существовании т.н."ламинарного суперслоя" в турбулентном пограничном слое и в развитой турбулентной струе. Получены условно-усредненные характеристики течения первого и второго порядка относительно турбулентной/нетурбулентной границы. Измеряются параметры слоя: скорость распространения и толщина в зависимости от числа Рейнольд-са. Результаты исследований позволяют нам провести сравнение внешней структуры турбулентного пограничного слоя и развитой турбулентной струи с аналогичными исследованиями в других сдвиговых турбулентных течениях.
Актуальность темы
Явление турбулентности остается загадкой в классической физике уже более ста лет. Частично это связано с отсутствием на данный момент общего метода решения полной системы уравнений Навье-Стокса для произвольного числа Рейнольдса. Не существует ни одного практически значимого частного решения, связи с чем особенно важны эксперименты для проверки простых идей. Эксперименты позволяют предположить: какие черты структуры турбулентных течений повторяются в различных ситуациях. Подобные наблюдения могут привести к более глубокому пониманию процесса и служить основанием для новых полуэмпирических теорий.
За все время исследований простые эксперименты в турбулентных течениях оказалось довольно трудно осуществлять. В конечном счете, необходимы измерения скорости. Турбулентные течения всегда существенно трехмерные по своей природе. Только относительно недавно доступ к трехмерной структуре скорости турбулентных течений стал возможен в Эйлеровом и Лагран-жевом описании через Direct Numerical Simulation (DNS) и Particle Image Velocimetry (PIV). Это сдвинуло фокус исследований от статистики скорости в одной или нескольких точках до анализа топологии всего поля течения.
Прежде чем использовать модели турбулентности для предсказания поведения сложных турбулентных течений в неизвестных ситуациях, они должны быть сперва протестированы на простых случаях. Турбулентная струя (ТС) и турбулентный пограничный слой (ТПС) являются одними из наи-
более простых неоднородных турбулентных течений, которые могу служить в качестве моделей для более комплексных случаев. В механике жидкости часто имеют место ситуации, где турбулентная часть течения ограничена потоком, который является нетурбулентным. В рассматриваемых течениях, примером может служить зона перемежаемости, где турбулентный поток граничит со свободным безвихревым течением. Перемежаемость - это чередование в пространстве и времени фаз качественно разных типов поведения системы. Характеристики течения меняются скачкообразно через турбулентную/нетурбулентную границу (Т/НТ границу). Граница сильно деформируется, поэтому в фиксированной точке течение меняется от ламинарного до развитого турбулентного. Примеры иллюстрируют, что наиболее часто встречающийся тип турбулентности неоднороден и прерывист, в отличии от хорошо изученной однородной изотропной турбулентности. При взаимодействии между двумя режимами течения, турбулентность распространяется со временем в прилегающую жидкость. Данный процесс называется захватом жидкости (захватом турбулентным течением нетурбулентной жидкости). Наиболее очевидным примером служит ТС, где из-за захвата жидкости возникает существенное течение к самой струе.
Не существует общей теории или даже полу-эмпирического правила для определения скорости захватываемой жидкости при различных обстоятельствах. Например, когда в свободном потоке уровень флуктуации отличен от нуля или течение обладает отличным от нуля осевым вращением. Ответы на подобные вопросы требуют более глубокого проникновения в физические основания механизма. В более широком смысле процесс захвата жидкости можно рассматривать как ламинарно-турбулентный переход в Лагранжевой постановке, когда практически безвихревые элементы жидкости из свободного потока пересекают турбулентную границу и приобретают турбулентность. Данная перспектива поднимает ряд вопросов: каковы механизмы процесса и как они меняются в различных течениях со свободными поверхностями. Исторически можно выделить две точки зрения: захват крупными вихрями или поглощение малыми порциями. Стоит отметить, нет утверждения, что в конкретном случае может протекать только один механизм. Однако существует убеждение, что в конкретных сдвиговых течениях определенный механизм может доминировать.
Подобные исследования имеют значение, так как области между турбу-
лентным и нетрубулентным течением играют важную роль во многих инженерных и природных течениях. Традиционные модели турбулентности, такие как к — ио и к — є, основаны на изучении однородной и однородной изтроп-ной турбулентности. Различные модификации данных моделей подогнаны к моделированию течений в канале/трубе, пограничном слое. Общеизвестно, что они плохо себя проявляют в случаях, когда неоднородность существенна, например, при моделировании облаков. Как правило, параметры такой модели должны быть сперва подогнаны при помощи моделирования какого-либо стандарного течения, такого как ТС. Очевидно, такой подход в корне неверный. Как отмечают многие исследователи, требуются новые идеи и концепции для таких ситуаций. Изучение Т/НТ границы может быть одним из них. Эти концепции приведут к более физически обоснованным оценкам критических параметров для моделирования, таким как турбулентная вязкость, скорость захвата жидкости и толщинам вытеснения. Как первый шаг, важно описать и определить количественно характерные черты данных слоев.
Цель работы
Основной целью работы является экспериментальное исследование механизма обмена массы и импульса между потенциальным и турбулентным течением в развитой ТС и ТПС.
Для достижения цели были поставлены и решены задачи:
1. Приспособить водный туннель для проведения экспериментов в ТС и
ТПС.
Провести измерения полного тензора градиента скорости в зоне перемежаемости при помощи TPIV в ТС и ТПС при различных числах Рейнольдса с достаточным пространственным разрешением.
Обработать поля скоростей и проверить предсказания теории. Определить зависимость параметров с числом Рейнольдса.
На основе полученных результатов в ТС и ТПС провести сравнение внешней структуры различных сдвиговых турбулентных течений.
Методы исследования
В процессе диссертационного исследования использованы методы PIV измерения скорости и визуализация течения. Поля скоростей обрабатывались на компьютере в программе MatLab.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов проверялась сравнением статистических свойств течений, полученных экспериментально, с результатами
расчетов и эталонными измерениями из других работ. Также мы варьировали величиной порога, применяемого к полям завихренности для определения Т/НТ границы. Условно-усредненная статистика и величины измеренных параметров приведены в зависимости от величины порога, чтобы показать независимость полученных результатов от процедуры определения Т/НТ границы.
На защиту выносится
Получено прямое экспериментальное подтверждение существования тонкого сдвигового слоя, т.н. "ламинарного суперслоя", в ТС и ТПС, ранее предсказанного теоретически на границе между турбулентной и нетурбулентной областями течения.
Проверены предсказания механизма поглощения жидкости малыми порциями за счет мелких вихрей, которые связывают величины условно-усредненной статистики относительно Т/НТ границы со скоростью её распространения нормальной к самой себе.
На основании проверки предсказаний мы делаем вывод, что рост ТС и ТПС идет в первую очередь за счет мелкомасштабного вязкого механизма, а не за счет невязкого действия крупных вихрей.
Определены параметры Т/НТ границы: толщина и скорость распространения в зависимости от числа Рсйнольдса. Показано, что толщина и скорость распространения ламинарного суперслоя в ТС и ТПС пропорциональны Тейлоровскому масштабу.
Научная новизна
Впервые показано экспериментально, что на границе сдвиговых турбулентных течений существует тонкий сдвиговый слой. Определены параметры этого слоя: скачок продольной компоненты скорости через слой, толщина слоя, условно-усредненная статистика в зависимости от числа Рейнольдса.
Научная и практическая значимость
Научная значимость работы состоит в фундаментальном исследовании неоднородной турбулентности. Это шаг от старой статистической теории, использующей концепции полностью развитой турбулентности и каскада, к новой теории, принимающей во внимание структуру мгновенного течения. В долгосрочной перспективе, необходимые для замыкания статистической теории гипотезы могут быть заменены физически обоснованными механизмами обмена массы и импульса.
Практическая значимость работы состоит в том, что установленные закономерности представляют дополнительные параметры для моделирования распространения турбулентных течений со свободной границей. Результаты работы могут быть использованы при модификации и тесте моделей турбулентности для правильного моделирования взаимодействия турбулентной и нетурбулентной частей потока. В частности, для более физически обоснованных оценок критических параметров для моделирования, таких как турбулентная вязкость, скорость захвата жидкости и толщина вытеснения.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:
The Limchtalk, internal seminar in Delft University of Technology, Delft, Netherlands, September 7, 2011.
Seventh International Symposium on Turbulence and Shear Flows Phenomena. July 28-31, 2011, Ottawa, Canada.
XXV and XXVI International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, March 1-6, 2010 and 2011, Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia.
Physics at FOM, Veldhoven, Netherlands, 19-20 of January, 2010 and 2011.
The Burgersdag, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, Netherlands, January 13, 2010 and 2011.
Публикации
Результаты настоящей диссертации послужили материалом 2-х статей в реферируемых журналах и 3-х статьях в сборниках конференций [1-5].
Структура и объем работы
