Введение к работе
Актуальность темы. Исследование возникновения турбулентности в сжимаемых пограничных слоях тесно связано с решением практических задач: проблемы теплозащиты для аэрокосмической техники, снижения сопротивления трения при эксплуатации самолетов с целью повышения экономичности и др. В настоящее время общепризнанно, что явление перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный связано с неустойчивостью ламинарного течения, приводящей к росту возмущений потока и возмущений, порождаемых неоднородностью течения вблизи стенки.
В общем виде переход ламинарной формы течения в пограничном слое в турбулентное состояние представляет собой сложный процесс возникновения и развития возмущений различного типа, их роста и взаимодействия друг с другом и средним течением, образованием локализованных в пространстве и времени возмущений, турбулентных пятен и т.п. Для относительно малых возмущений этот процесс может быть условно подразделен на три основные стадии: 1) возбуждение возмущений в пограничном слое (проблема восприимчивости); 2) линейное развитие неустойчивых пульсаций; 3) нелинейная стадия роста возмущений с последующим разрушением ламинарного течения в турбулентное. Для больших амплитуд начальных возмущений сценарий ламинарно-турбулентного перехода является другим. Такой тип перехода принято называть «байпасным». Считается, что в этом случае ламинарно-турбулентный переход происходит, минуя линейную стадию развития возмущений. Общей целью исследований ламинарно-турбулентного перехода является описание и предсказание возникновения турбулентного режима в течении.
На момент начала данных исследований как теоретические, так и экспериментальные работы по устойчивости пограничного слоя при сверхзвуковых скоростях ограничивались лишь линейной стадией развития неустойчивых возмущений. При этом в ряде случаев получено удовлетворительное согласие экспериментальных и теоретических результатов. Однако даже линейная область развития возмущений в сверхзвуковом пограничном слое еще недостаточно изучена как теоретически, так и экспериментально.
Что касается исследований нелинейной устойчивости сверхзвукового пограничного слоя, то до конца 80-х годов такие исследования не выполнялись ни теоретически, ни экспериментально. Фактически, эти исследования были начаты одновременно в начале 90-х годов: теоретические - на Западе, экспериментальные - в России автором этой работы.
В то же время можно отметить значительные достижения, как теоретических, так и экспериментальных исследований нелинейного развития возмущений в несжимаемом пограничном слое. Из этих исследований известны два различных механизма перехода в несжимаемом пограничном слое при низком уровне турбулентности набегающего потока (К-режим и Л/-режим). Было показано, что /V-режим разрушения ламинарного течения реализуется при меньших начальных амплитудах возмущений, чем К-режим. Моделью взаимодействия возмущений для Л'-режима может быть субгармонический
резонанс. При К-режиме разрушения обнаружено, что возмущения имеют более сложный характер параметрического взаимодействия.
Для описания развития возмущений в пограничном слое в теории гидродинамической устойчивости используется волновой подход. Теоретические исследования нелинейной неустойчивости пограничного слоя при сверхзвуковых скоростях предсказывают, что физическая природа нелинейного взаимодействия волн в несжимаемом и сверхзвуковом пограничных слоях одна и та же. Однако в сверхзвуковом пограничном слое наиболее неустойчивые в линейном смысле волны являются трехмерными, тогда как в дозвуковом пограничном слое наиболее неустойчивы двумерные волны. Согласно представлениям слабонелинейной теории те волны, которые наиболее неустойчивые в линейном смысле, в первую очередь начинают взаимодействовать нелинейно. Поэтому развитие неустойчивых волн в пограничном слое при М>1 должно давать более сложную картину нелинейного волнового взаимодействия. С учетом вышеупомянутого является актуальным экспериментальное обнаружение и исследование фундаментальных волновых явлений в ламинарном сверхзвуковом пограничном слое.
Целью работы было экспериментально изучить волновые явления при ламинарно-турбулентном переходе сверхзвукового пограничного слоя на плоской пластине. Развить подход для исследования нестационарных и нелинейных волновых явлений при переходе в сверхзвуковых сдвиговых течениях на основе автоматизированных средств измерения и метода контролируемых возмущений.
Научная новизна. Впервые выполнены детальные экспериментальные исследования поля возмущений вблизи источника, в которых обнаружено, что нестационарные возмущения, генерируемые источником, распространяются не только вниз, но и вверх по потоку. Распространяясь вверх по потоку, контролируемые возмущения сильно затухают. Обнаружено, что с увеличением числа Маха область распространения возмущений вверх по потоку от источника увеличивается.
Подтверждена линейная теория устойчивости сверхзвукового пограничного слоя при числах Маха 2-4 и показано, что наиболее неустойчивые возмущения в сверхзвуковом пограничном слое являются наклонными с углами 50-60 градусов.
Впервые выполнены экспериментальные исследования нелинейной эволюции возмущений в сверхзвуковом пограничном слое. Впервые для решения этой задачи изучалось развитие модулированных волновых поездов с подробным частотно-волновым анализом возмущений.
Впервые экспериментально установлен механизм нелинейного взаимодействия возмущений в пограничном слое на плоской пластине с острым и затупленным носком при сверхзвуковых скоростях. Этим механизмом является параметрический резонанс для волновых триад возмущений. Впервые обнаружен резонанс для несимметричных триплетов наклонных волн, который не наблюдался ранее.
Впервые экспериментально изучены особенности нелинейного развития возмущений большой амплитуды в сверхзвуковом пограничном слое. Показано, что несмотря на трехмерный характер наиболее неустойчивых в ли-
нейном смысле волн в пограничном слое при сверхзвуковых скоростях, возмущения большой амплитуды могут вырождаться в квазидвумерные в результате нелинейной эволюции.
Впервые установлено, что нелинейная эволюция многочастотных возмущений большой амплитуды может приводить к вырождению высокочастотных гармоник, т.е. к квазигармоническому волновому поезду.
Впервые обнаружено нелинейное возбуждение субгармонических квазидвумерных возмущений с фазовыми скоростями акустических волн.
Научная и практическая ценность. Развит подход для экспериментальных исследований нестационарных волновых явлений в сверхзвуковых потоках на основе автоматизированных средств измерений стационарных и нестационарных сигналов. Этот подход позволяет изучать эволюцию естественно и искусственно порожденных возмущений в двумерных и трехмерных сдвиговых течениях.
Практически показана актуальность использования термоанемометра постоянного сопротивления при исследовании ламинарно-турбулентного перехода в сверхзвуковых пограничных слоях. Продемонстрированы возможности применения термоанемометра постоянного сопротивления для определения количественного уровня возмущений сверхзвукового потока.
Полученные экспериментальные результаты развивают и дополняют некоторые общепринятые представления о волновых явлениях в ламинарном сверхзвуковом пограничном слое. В линейной области развития возмущений обнаружены волны акустической моды, развитие которых не предсказывается существующими результатами линейной теории устойчивости. Обнаружены нестационарные возмущения, распространяющиеся вверх по потоку в сверхзвуковом пограничном слое. Экспериментально установлен параметрический характер нелинейного взаимодействия возмущений в пограничном слое плоской пластины. Показана возможность нелинейной генерации акустических возмущений сверхзвуковым пограничным слоем и установлено, что такие возмущения будут двумерными. Обнаружено вырождение трехмерных возмущений большой амплитуды в квазидвумерные при их нелинейной эволюции.
Полученные экспериментальные результаты могут использоваться при анализе данных по ламинарно-турбулентному переходу, а также при развитии различных теоретических подходов для исследования устойчивости сверхзвуковых сдвиговых течений и предсказания чисел Рейнольдса перехода.
На защиту выносится:
метод экспериментального исследования волновых явлений в сверхзвуковых сдвиговых течениях на основе автоматизированной системы измерений и метода контролируемых возмущений;
результаты экспериментального исследования линейного развития пространственных волновых пакетов в сверхзвуковом пограничном слое при числах Маха М=2, 3, 4;
результаты экспериментального исследования распространения возмущений вверх по потоку в сверхзвуковом пограничном слое при числах Маха М=2, 3, 4;
- результаты экспериментального исследования начальной стадии нели
нейного взаимодействия неустойчивых волн в пограничном слое при
М=2;
результаты экспериментальных исследований нелинейной эволюции возмущений в сверхзвуковом пограничном слое;
- результаты экспериментального исследования аномальных волновых
явлений в нелинейной области развития возмущений в сверхзвуковом
пограничном слое.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на VI, VII Съездах по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986; Москва, 1991), II, IV IUTAM-симпозиумах по ламинарно-турбулентному переходу (Новосибирск, 1984; Сендай, Япония, 1994), IUTAM-симпозиуме по нелинейным непараллельным течениям (Потсдам, США, 1993), Международной конференции по экспериментальной механике жидкости (Пекин, Китай, 1991), IUTAM-симпозиуме по нелинейной неустойчивости и переходу в трехмерных пограничных слоях (Манчестер, Англия, 1995), Коллоквиуме Королевской Академии Нидерландов по переходным пограничным слоям в аэронавтике (Амстердам, Нидерланды, 1995), Коллоквиуме 359 EUROMECH по устойчивости и переходу течений в пограничных слоях (Штуттгарт, Германия, 1997), Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1994, 1996), конференции по турбулентным пограничным слоям (ЦАГИ, 1992), Школе по нелинейным задачам гидродинамической устойчивости (Москва, 1992), I-IV семинарах по устойчивости гомогенных и гетерогенных жидкостей (Новосибирск, 1994, 1995, 1996, 1997), неоднократно обсуждались на семинаре «Динамика вязкой жидкости и турбулентность» ИТПМ СО РАН. Результаты исследований докладывались на семинаре кафедры общей физики ФАЛТ МФТИ (рук. проф. В.Н.Жигулев), в ЦИАМ (рук. д.т.н. А.Н.Секундов). В полном объеме работа обсуждалась в ИТПМ СО РАН на семинаре «Теоретическая и прикладная механика» (рук. чл.-корр. РАН В.М.Фомин) и в ИТФ СО РАН на общеинститутском семинаре (рук. д.ф.-м.н. СПАлексеенко). По результатам исследований автору совместно с Гапоновым С.А. и Масловым А.А. присуждена первая премия им. проф. Н.Е.Жуковского за 1995 год.
По теме диссертации опубликована 51 печатная работа. Основные результаты содержатся в работах /1-31/.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, 96 стр. иллюстраций, списка литературы из 305 наименований и приложения. Основная часть диссертации содержит 185 страниц машинописного текста.