Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе развития науки и техники инженерам и конструкторам летательных и плавательных аппаратов приходится решать ряд проблем, тесно связанных с возникновением турбулентности в пограничном слое (снижение сопротивления трения, проблема тепломассообмена и т.д.). Решение этих проблем, прежде всего зависит от понимания механизма ламинарно-турбулентного перехода. В частности, в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока (при обтекании лопаток компрессоров и турбин) в пограничном слое возникают продольные полосчатые структуры, развитие неустойчивости на которых и определяет ламинарно-турбулентный переход. Исследования гидродинамической неустойчивости подобных течений и связанных с ней явлений, сопровождающих переход пограничного слоя в турбулентное состояние, актуальны и необходимы как для развития моделей перехода, так и расширения возможностей управления данным процессом.
В последние годы пристальное внимание исследователей обращено на роль продольных локализованных и вихревых структур в процессе перехода. При визуализации процесса перехода в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока на стадии, предшествующей возникновению турбулентных пятен, наблюдаются характерные продольные полосчатые структуры (английский термин "streaky structures"). Их роль в механизме перехода, как и собственно представление о структуре и законах развития данных образований остаются не ясными и мало исследованными. С другой стороны, переход в трехмерных пограничных слоях связан с так называемой первичной неустойчивостью, вызванной генерацией, в зависимости от тех или иных условий, продольных стационарных вихрей типа вихрей Тейлора-Гертлера или "cross-flow" вихрей. Исследования процесса перехода в течениях с наличием подобных вихревых структур являются актуальными в настоящее время и, по-видимому, механизм перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока может стать более понятным в свете изучения устойчивости трехмерного пограничного слоя.
Актуальность проблемы управления процессом перехода очевидна как с точки зрения понимания механизма воздействия различных методов управления на структуру и характеристики развития возмущений, так и с точки зрения снижения сопротивления трения за счет затягивания турбу-лизации течения. Так, например, метод управления течением с использованием МЭМС-технологий, предполагает локальное импульсное воздействие на возмущения, присутствующие в слое сдвига, на ранних этапах их развития. Однако в случае импульсного воздействия в пограничный слой вводится возмущение с широким спектром частот, часть из которых может попадать в область неустойчивости течения (если таковая имеется). В результате в пограничном слое возникнет волновой пакет, который будет нарастать ниже по потоку и может привести к образованию турбулентного пятна. Таким образом, затягивание перехода к турбулентности не будет
достигнуто. Возникновение волновых пакетов неоднократно наблюдалось в экспериментах по исследованию нестационарных продольных структур в пограничных слоях плоской пластины и прямого крыла, возбуждаемых с помощью мембраны или методом вдува (отсоса). Явление получило название "предвестник", поскольку предшествует фронту продольной структуры. В настоящей работе детально изучены волновые пакеты (предвестники), возникающие в пограничных слоях в областях, предшествующих резкому локальному изменению скорости течения внутри пограничного слоя (фронты продольного локализованного возмущения). Образование предвестников, наряду с вторичной неустойчивостью продольных структур, является еще одним звеном процесса ламинарно-турбулентного перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока. Помимо этого, в работе приведены результаты исследований по управлению процессом развития возмущений, имеющих место как при низкой, так и повышенной степени турбулентности набегающего потока с помощью локализованного вдува/отсоса газа из пограничного слоя посредством модификации обтекаемой поверхности (применение риблет), а также движением самой поверхности (поперечные колебания).
Большинство известных результатов исследований по переходу в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока были получены в экспериментах, проводимых в так называемых "естественных" условиях, где из-за проблемы, связанной с сохранением фазовой информации, достаточно сложно детально исследовать процесс развития и взаимодействия различного типа возмущений, существующих в переходе. В связи с этим представляется необходимым использовать иной методический подход для изучения данной проблемы. Проведение исследований в модельном эксперименте, где возмущения генерируются и развиваются в контролируемых условиях с сохранением фазовой информации, может дать дополнительную, а возможно и новую информацию по данной проблеме. Настоящие исследования проводились с использованием именно этого метода.
Целью работы является поиск новых способов возбуждения продольных локализованных структур; исследование свойств локализованных возмущений в условиях контролируемого эксперимента, которые позволили бы наиболее адекватно моделировать возмущения пограничного слоя при повышенной степени турбулентности набегающего потока, поиск методов управления течением в пограничном слое с помощью указанных возмущений; экспериментальное исследование возникновения и развития волновых пакетов, образующихся в двумерных и трехмерных пограничных слоях в областях, предшествующих фронтам локализованных возмущений.
Научная новизна
В результате открытия нового явления, а именно существования в пограничном слое так называемых "пассивных" продольных локализованных возмущений, характеризующихся быстрым затуханием вниз по потоку и
достигающих больших амплитуд на начальном этапе развития, составляющих величину порядка 40% и более от скорости набегающего потока, сформировано новое научное направление исследований, заключающееся в возможности моделирования возмущений, ответственных за ламинарно-турбулентный переход, в частности, в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока, исследовании механизмов их неустойчивости, а также возможности их применять для управления течением.
Впервые экспериментально обнаружен и исследован механизм неустойчивости фронтов локализованных возмущений, связанный с образованием и развитием в пограничном слое волновых пакетов - "предвестников".
Обоснована и развита методика экспериментальных исследований в пограничном слое с использованием искусственных возмущений, т.е. в "контролируемых" условиях с использованием современных компьютерных технологий.
Исследованы характеристики развития пакетов волн неустойчивости -"предвестников" как в градиентных, так и безградиентных течениях в условиях низкой и повышенной степени турбулентности набегающего потока.
Экспериментально исследован один из возможных механизмов перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока, осуществляемый через процесс взаимодействия волн Толлмина- Шлихтинга (Т-Ш) с продольными локализованными возмущениями; изучены интегральные характеристики развития продольного локализованного возмущения, генерированного различными способами, в том числе и вихревыми возмущениями из набегающего потока.
Исследована устойчивость пограничного слоя, модулированного продольными локализованными возмущениями, показана их роль при генерации и развитии волновых пакетов-"предвестников" вблизи фронтов локализованных возмущений.
Подробно изучен механизм управления процессом развития возмущений с помощью локализованного вдува и отсоса газа из пограничного слоя.
Достоверность результатов обеспечена использованием в работе универсальных и отработанных методов экспериментального исследования, повторяемостью результатов, полученных в опытах, проведенных в разное время и на различных установках. Результаты работы согласуются с опубликованными данными о характеристиках подобных течений и с результатами исследований явлений, аналогичных изучаемым в настоящей работе, в других течениях вязкого несжимаемого газа. Данные, полученные в различных разделах работы, дополняют друг друга и дают целостную, физически непротиворечивую картину изучаемого явления.
Научная и практическая ценность. Сформированное новое научное направление, основанное на открытии нового явления, а именно существовании в пограничном слое так называемых "пассивных" продольных лока-
лизованных возмущений, характеризующихся быстрым затуханием вниз по потоку и возникновении волновых пакетов - предвестников фронтов локализованных возмущений позволило получить комплексное представление о физических явлениях и процессах, протекающих при переходе в пограничном слое, модулированном локализованными полосчатыми структурами, и связанных с определенными типами неустойчивостей, возникающих в пограничном слое.
Полученные в работе экспериментальные данные могут служить исходным материалом для построения новых моделей механизма перехода в таких течениях. Практическую ценность работы представляют также результаты исследований по управлению развитием возмущений в переходе с помощью поперечных колебаний, оребрения обтекаемой поверхности, суперпозиции продольных возмущений и локализованном вдуве и отсосе газа из пограничного слоя. Полученные экспериментальные данные указывают на возможности затягивания ламинарно-турбулентного перехода при помощи перечисленных выше методов управления. Предложены и научно обоснованы практические рекомендации для управления возмущениями в пограничном слое в реальном времени с помощью технологии микроэлектромеханических систем. В частности, при использовании локализованного вдува/отсоса газа на поверхности модели как метода воздействия на возмущения пограничного слоя определены оптимальная длительность, вид и место приложения импульса вдува/отсоса газа относительно внутренней структуры управляемого продольного возмущения.
Автор защищает результаты:
Экспериментального исследования реакции пограничного слоя на локализованное воздействие связанной с генерацией в нем присущих сдвиговому течению возмущений со строго определенной структурой и характеристиками развития независимо от интенсивности возбуждения в широком диапазоне амплитуд при различной скорости набегающего потока, размерах и количестве источников, а также способе воздействия ("вдув" или "отсос").
Взаимодействия затухающих вниз по потоку продольных локализованных структур с высокочастотным возмущением, приводящих к генерации высокочастотного волнового пакета, трансформирующегося вниз по потоку в турбулентное пятно.
Исследования характеристик впервые обнаруженных в пограничном слое "пассивных" продольных локализованных возмущений.
Выявления принципиальной роли локальных градиентов скорости в продольном и поперечном направлении в областях переднего и заднего фронтов и на боковых границах возмущения при возникновении в пограничном слое неустойчивости продольных локализованных структур.
Изучения пространственной геометрии и структуры течения впервые в пограничном слое прямого и скользящего крыла полученных волновых пакетов - предвестников фронтов локализованных структур.
Экспериментального подтверждения того, что предвестники являются пакетами волн Толлмина-Шлихтинга. В процессе эволюции попадая в область неблагоприятного градиента давления, предвестники нарастают вниз по потоку, трансформируются в Л - структуры и далее приводят к образованию турбулентных пятен.
Исследовния предвестников в условиях устойчивого пограничного слоя Блазиуса вне кривой нейтральной устойчивости, показывающего, что предвестники затухают в данном течении и процесс образования и развития исследуемых возмущений малой амплитуды является амплитудно независимым.
Экспериментальных исследований, впервые показывающих, что в градиентном течении, в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока волновые пакеты-предвестники фронтов локализованных возмущений могут существовать и приводить к образованию турбулентности, при этом увеличение как степени турбулентности набегающего потока, так и начальной амплитуды предвестника ускоряет процесс его преобразования в турбулентное пятно.
Исследования механизмов управления процессом развития локализованных возмущений с помощью локализованного вдува/отсоса газа из пограничного слоя, поперечных колебаний обтекаемой поверхности, применения риблет и суперпозиции продольных возмущений.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались на семинарах Института теоретической и прикладной механики СО РАН, Королевского технологического института (КТН), Стокгольм, Швеция, Корейского института передовой науки и технологии (KAIST) и представлялись на следующих конференциях: Международном симпозиуме ИСЕФМ (ICEFM) по экспериментальной механике жидкости (Королев, 1997), Международном симпозиуме ИЮТАМ (ШТАМ) по пассивным и активным методам управления течением (Гет-тинген, Германия, 1998), Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR) (Новосибирск, 1998 - 2008), Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей", (Новосибирск, 1996 - 2009), Международной научной студенческой конференции (НГУ, Новосибирск, 1996-1998), 6 Европейской конференции по механике жидкости EFMC-6 (Стокгольм, Швеция 2006), Пятой международной конференции по механике жидкости ICFM-V (Шанхай, Китай, 2007), на 7 Симпозиуме ERCOFTAC SIG33 "Нерешённые вопросы в ла-минарно-турбулентном переходе и управлении течениями" (Генуя, Ита-
лия, 2008), Международной конференции "Авиация и Космонавтика -2008" (Москва, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ [1-47], из них 17 в рецензируемых журналах [1-17].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 130 наименований. Содержит 305 страниц, в том числе 155 рисунков.
