Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития техники, п частности алиациоиного моторостроения, поставил перед инженерами и конструкторами ряд задач (снижение сопротивления трения, проблема тепломассообмена и т.д.), тесно спязанных с возникнопением турбулентности в пограиичном слое на лопатках турбил и компрессоров. Их решение во многом зависят от понимания механизма ламинарно-турбулептного перехода в условиях повышенной степени турбулентности na6eгающeго потока. Исследования гидродинамической неустойчивости подобных течений и связанных с ней явлений актуальны и необходимы для развития моделей перехода и расширения возможностей управления данным процессом-
Рассматривая ламинарно-турбулентный переход при повышенной степени турбулентности набегающего потока, необходимо отметить следующие его особенности. Визуализация дымом показывает, что в результате проникнопения вихрей из внешнего потока в пограничном слое возникают вытянутые вниз по потоку локализованные структуры. В литературе они обычно называются полосчатыми структурами. При развитии этих структур вниз по потоку в результате их вторичной неустойчивости возникают турбулентные пятна. На основе информации, полученной в экспериментах, проводимых в "естественных" условиях, делается вывод о том, что механизмы перехода при низкой и повышенно?! степени турбулентности набегающего потока ппннщншально отличаются друг от друга.
Среди наиболее важных вопросов, возникающих в связи с проблемой перехода при высоком уровне возмущенности внешнего течения особенно эстро стоит вопрос адекватного описания полосчатых структур, что позволит эазвить соответствующие инженерные модели и послужит основой для теследующих исследований вторичной неустойчивости. Предыдущие исследования показывают, что в данном случае для понимания природы голосчатых структур необходимо рассматривать не только процесс их )азвития, но и пути возникновения этих возмущений в пограничном слое, т. е. решить задачу восприимчивости.
Для решения этой проблемы представлялось актуальным провести ис-:ледование восприимчивости пограничного слоя в условиях модельного экспе-игмента, чго дает возможность изучать процесс возникновения и развития воз-«ущений вне зависимости от многих посторонних факторов. Настоящее иссле-[Ование в первую очередь направлено на моделирование процессов [заимодействия пограничного слоя с контролируемыми локализованными іозмуїцениями вихревой природы, искусственно создаваемыми во внешнем
потоке. Целенапрапленное изменение внешних условий нозволило при этом оценить влияние, оказываемое на возникающие в пограничном слое полосчатые структуры различными факторами, имеющими место в практических ситуациях.
Цель работы заключалась в экспериментальном исследовании механизмов возникновения и характеристик развития в пограничном слое локализованных возмущений, моделирующих полосчатые структуры, наблюдаемые в "естественных" условиях. В том числе: развития в двумерном пограничном слое полосчатых структур, возникших на передней кромке модели; влияния на возникновение полосчатых структур характеристик среднего течения и направления распространения контролирусмых внешних возмущений; возможности генерации возмущений в развитом пограничном слое минуя переднюю кромку модели.
Научная новизна.
1. Впервые получены количественные экспериментальные результаты,
свидетельствующие о применимости концепции немодального усиления для
описания развития локализованных возмущений типа "пафф" (полосчатых
структур) в ламинарном пограничном слое на плоской пластине.
2. Впервые исследовано развитие локализованных возмущений типа
"пафф" (полосчатых структур) в пограннчном слое на модели прямого крыла.
кромки на характеристики возникающих возмущений.
3. Впервые обнаружена зависимость внутренней топологии возмущений
типа "пафф" (полосчатых структур) от направления распространения
возмущений внешнего потока и характеристик трехмерности среднего течения
в пограничном слое. На основе идеи немодалытого усиления предложен
единый для этих случаев мсханизм возникновсния возмущений пограничного
слоя.
4. На основе выполненных экспериментальных исследований
взаимодействия внешней турбулентности с развитым пограничным слюем
рассмотрена возможность локализованного в пространстве и времени
воздействия внешней турбулентности на развитый пограничный слой.
Достоверность результатов подтверждается сопоставлением с данными, полученными в работах другах авторов и экспериментальных групп, а также использованием апробированных методик измерений и многократной повторяемостью результатов.
Научная и практическая ценность.
Результаты исследований возникновения продольных локализованных юзмущений и механизмов, ответственных за их развитие, могут быть использо-
ваны в моделировании процессов перехода в подобных течениях и служить базой для разработки методов активного управления ламинарно-турбулентным переходом. Эксперииентальныс результаты, получетше в работе, могут быть полезны для апробации развиваемых методов теоретических расчетов по развитию полосчатых структур как в двумерных, так и в трехмерных пограничных слоях с учетом радиуса закругления передней кромки и анизотропии внешней турбулентности.
На защиту выносятся результаты экспериментальных исследований: развития локализованных в пространстве и времени возмущений в пограничном слое Блазиуса; воснршімчивости пограничного слоя на прямом и скользящем крыльях к локализованным в пространстве п времени внешним возмущениям: влияния направления распространения внешних возмущений па структуру позмущений, возникающих в пограничном слое; локализованного воздействия на развитый пограничный слой через его внешнюю границу.
Апробапия работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах Института теоретической и прикладной механики СО РАН и представлялись на следующих конференциях: Международной Конференции по Экспериментальной Динамике Жидкости и Газа (Королев, 1997), на Европейской Конференции по Динамике Жидкости и Газа (Геттинген, Германия, 1997), на Международной Конференции по Методам Аэрофизических Исследований (Новосибирск, 1998, 2000), на Международном ШТАМ-симпозиуме по ламинарно-турбулептному переходу (Седоиа, США, 1999), Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей'' (Новосибирск, 1996 - 2000), Международной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1998,2000), Международной научной студенческой колференции (Новосибирск, 1996,1997).
Публикании. Основные результаты опубликованы в 15 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем ляссертании. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 143 наименований, изложена на 155 стр., включая 57 рисунков.