Содержание к диссертации
Список обозначений 4
Введение 6
Основная часть
Обзор состояния исследований ламинарно-турбулентного
перехода в сдвиговых течениях 11
Введение 11
Задача гидродинамической устойчивости 12
Развитие возмущений в двумерных пограничных слоях на поздних
стадиях перехода к турбулентности 18
Особенности вторичной неустойчивости трехмерных
пограничных слоев 21
Управление ламинарно-турбулентным
переходом 24
Глава I. Исследование развития предвестников малой амплитуды в
пограничном слое Блазиуса 31
Введение 31
Экспериментальная методика 33
Результаты 35
Выводы 47
Глава II. Особенности нестационарных процессов в области фронтов
продольных структур в пограничном слое прямого крыла 48
Введение 48
Методика эксперимента 50
Результаты 52
Выводы 65
Глава III. Волновые предвестники продольных структур в пограничном
слое скользящего крыла 66
Введение 66
Методика эксперимента 67
Результаты и обсуждение 71
Выводы 84
Заключение 85
Список использованных источников 87
Список работ содержащих материалы диссертации 97
ПРИЛОЖЕНИЕ А 100
Список обозначений
С/и - скорость набегающего потока;
U(> - местная скорость внешнего потока;
U, V, W- локальная средняя скорость течения;
Uexp - локальное значение скорости измеренное термоанемометром;
U - локальная скорость возмущенного течения;
u,v,w- пульсационные составляющие скорости;
v(r) - мгновенное распределение скорости;
vo(r) - распределение средней скорости;
Vj(r) - распределение нестационарного малого возмущения скорости;
игш - среднеквадратичное отклонение пульсационной составляющей
скорости течения;
umin - минимальное значение продольной скорости возмущения;
итах - максимальное значение продольной скорости возмущения;
uL - пульсационная составляющая скорости в области с
трансверсальной координатой соответствующей краю
источника возмущений;
р(г) - мгновенное распределение давления;
Ро(г) - распределение среднего давления;
Pi(r) - распределение нестационарного малого возмущения давления;
X, Y, Z- декартовы координаты;
х, у, z - значения координат некоторой точки;
хо - координата начала области измерений;
X', У, Z' - декартовы координаты скользящего крыла (X перпендикулярна
передней кромке);
ch - длина хорды крыла;
L - длина щели в поверхности модели;
д - толщина пограничного слоя;
8 - толщина вытеснения;
а - угол между перпендикуляром к фронту волны и продольной
скоростью, а,- (/ =1,2, 3)- угол между фронтом волны и передней кромкой крыла;
Я - длина волны возмущения;
є - степень турбулентности набегающего потока;
X - угол скольжения крыла;
Re - число Рейнольдса;
Rec - число Рейнольдса рассчитанное по хорде крыла;
Re - критическое число Рейнольдса;
Res - число Рейнольдса рассчитанное по толщине пограничного
слоя;
Reg* - число Рейнольдса рассчитанное по толщине вытеснения;
F - безразмерный частотный параметр;
к - волновой вектор {к = кг+к,);
с - фазовая скорость (с = сг+с,);
t - время.
Введение к работе
Процесс перехода течения из ламинарного состояния в турбулентное является, пожалуй, одним из наиболее интересных и сложных объектов исследований аэрофизики. Ламинарно-турбулентный переход имеет место в различных сдвиговых течениях, таких как пограничные слои, струи, течения в каналах. Интерес исследователей к процессу перехода объясняется как прикладной стороной решения данной проблемы, в частности возможным снижением аэродинамического сопротивления и акустического излучения летательных аппаратов при управлении возникновением турбулентности, так и желанием получить новые фундаментальные знания, которые позволят дополнить существующую физическую картину явления.
Еще в конце прошлого века Рейнольдсом и Релеєм было высказано предположение, что причина перехода ламинарных течений в турбулентное состояние - их неустойчивость. Иначе говоря, в неустойчивом пограничном слое происходит усиление волн, приводящее к разрушению ламинарного режима течения. Гейзенберг своей работой [1] положил начало созданию линейной теории гидродинамической устойчивости. Первые расчеты устойчивости пограничного слоя были проведены в конце 20-х - начале 30-х годов Толлмином и Шлихтингом. Позже, Шубауэр и Скремстэд [2] в малошумной аэродинамической трубе впервые обнаружили как собственные колебания пограничного слоя, так и их определяющую роль в процессе разрушения ламинарного режима течения.
По мере распространения вниз по потоку волны Толлмина-Шлихтинга ведут себя сначала как возмущения малых амплитуд, затем претерпевают нелинейную стадию развития и, наконец, приводят к турбулизации течения. Наряду с этим достаточно хорошо изученным сценарием возникновения турбулентности, существуют и другие пути перехода пограничных слоев из ламинарного в турбулентный режим течения.
Примером разрушения ламинарного течения в пристенном пограничном слое, протекающего по отличному от классического сценарию, является ламинарно-турбулентный переход при повышенной степени турбулентности набегающего потока.
Первые результаты измерений развития ламинарного пограничного слоя в условиях повышенного уровня возмущений внешнего течения были представлены авторами работы [3], обнаружившими рост вниз по потоку колебаний продольной компоненты скорости и до амплитуд порядка нескольких процентов от скорости внешнего течения Uo. Также было показано, что основной вклад в спектр энергии возмущений в пограничном слое вносят значительно меньшие частоты, чем в свободном потоке. Последующие работы [4 - 6] были направлены на возникновение и развитие волновых процессов индуцированных внешней турбулентностью, при є = 0.1 - 0.3 %. При еще больших уровнях возмущений естественные волны Т -Ш становится трудно обнаружить.
Визуализация течения [4, 7-9] показывает, что низкочастотные возмущения в пограничном слое вызываются продольными полосчатыми структурами, которые начинают развиваться с передней кромки пластины.
Эти структуры создают условия для развития высокочастотных вторичных волновых возмущений, которые далее могут трансформироваться в турбулентные пятна с последующим переходом течения в пограничном слое из ламинарного состояния в турбулентное [10, 11]. Исследования этого явления в "естественных" условиях не позволяют понять его в полной мере в силу того, что возникновение возмущений в пограничном слое носит случайный характер и отследить поведение конкретного возмущения в большинстве случаев - задача невыполнимая. При детальном изучения продольных структур они моделируются искусственно. Для получения исчерпывающей информации о характеристиках возмущенного течения необходимо применение современных методик автоматизированных измерений, алгоритмов обработки и представления экспериментальных данных.
С другой стороны, хорошо известна потенциальная возможность существенного снижения сопротивления обтекаемых тел путем затягивания ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое методами активного управления пристенным течением. Такие методы, в частности с использованием МЭМС-технологий, предполагают локальное импульсное воздействие на вихревые возмущения, присутствующие в слое сдвига, на ранних этапах их развития[12, 13, 15, 16]. При этом, в случае импульсного воздействия в пограничный слой вводится возмущение с широким частотным спектром, часть которого попадает в область неустойчивости течения, если таковая имеется. В результате, в пограничном слое возникает нарастающий волновой пакет, который может привести к образованию
турбулентного пятна, что препятствует затягиванию перехода к турбулентности.
Возникновение волновых пакетов неоднократно наблюдалось в экспериментальных исследованиях нестационарных продольных структур, возбуждаемых помещенной на обтекаемой поверхности колеблющейся мембраной или вдувом / отсосом газа в пограничных слоях плоской пластины [16, 17] и прямого крыла [18 - 20]. Такие пакеты, связанные с фронтом продольных структур, получили название "предвестник". Как было показано ранее [19], в пограничном слое прямого крыла предвестники являются пакетами волн Толлмина-Шлихтинга. Предварительные измерения в пограничном слое на скользящем крыле [20] также показали присутствие подобных возмущений.
В настоящих исследованиях рассмотрены волновые процессы, протекающие в областях фронтов продольных структур в пограничном слое Блазиуса, на прямом и скользящем крыльях. Исследован процесс развития предвестников в зависимости от амплитуды начальных возмущений -искусственно генерированных в пристенном течении продольных локализованных возмущений. Показано, что предвестники могут возникать вне кривой нейтральной устойчивости - в области затухания малых возмущений пограничного слоя. Выявлена линейность исследуемого явления по амплитуде колебаний. В экспериментах, проведенных на модели прямого крыла, изучены характеристики нестационарного течения в окрестности переднего и заднего фронтов продольных структур, предложена физическая модель формирования и развития фронтов.
Установлено, что необходимым условием нарастания предвестников является существование продольного неблагоприятного градиента давления во внешнем потоке. Также изучена пространственная конфигурация предвестников и ее динамика при распространении волнового пакета вниз по течению. Волновые пакеты, аналогичные исследованным в двумерных пограничных слоях, получены вблизи фронтов продольных структур в трехмерном течении на скользящем крыле. Определены характеристики волновых пакетов и порождающих их продольных структур возмущений. Показана возможность преобразования предвестников в турбулентные пятна, приводящего к турбулизации течения в пограничном слое. Рассмотрен процесс нелинейного взаимодействия периодической во времени волны, локализованной в трансверсальном направлении, со средним течением.
Обзор состояния исследований ламинарно-турбулентного перехода в
сдвиговых течениях
Введение
В настоящее время прогресс в аэродинамике летательных аппаратов -
повышение надежности и эффективности их эксплуатации при
уменьшении сопротивления среды движению тел в атмосфере и
увеличении подъемной силы несущих поверхностей - в значительной мере
связан с пониманием происходящих в пограничных слоях физических
явлений, главным образом, перехода течения из ламинарного состояния в
турбулентное. Именно в этом направлении исследований, с одной стороны
достигнуто глубокое понимание различных сторон
ламинарно-турбулентного перехода, а с другой - выявлен круг новых задач, связанных с развитием микромашинных технологий и переспективой МЭМС-управления характеристиками обтекания тел.
Ниже приведен обзор результатов исследований возникновения турбулентности в дозвуковых пристенных течениях. Рассматриваются традиционные аспекты проблемы, включающие генерацию возмущений сдвиговых течений, их линейную устойчивость и нелинейные явления на поздних стадиях перехода к турбулентности. Обсуждаются современные подходы к описанию ламинарно-турбулентного перехода и последние опытные данные, уточняющие представления о переходе и возможностях управления им в различных условиях обтекания тел. Указаны перспективы исследований в рассматриваемой области механики жидкости и газа.
Задача гидродинамической устойчивости
Сохранение ламинарного режима обтекания тел тесно связано с теорией гидродинамической устойчивости. Для большинства задач о движении вязкой жидкости при заданных стационарных условиях должно в принципе существовать точное стационарное решение уравнений гидродинамики. Однако такие решения должны не только удовлетворять гидродинамическим уравнениям, но и быть устойчивыми относительно их возмущений. Если неизбежно возникающие в потоке жидкости сколь угодно малые возмущения нарастают, стационарное движение оказывается неустойчивым и фактически существовать не может [10].
Математическое исследование устойчивости движения среды по отношению к бесконечно малым возмущениям происходит по следующей схеме. На исследуемое стационарное течение (в котором обозначим распределение скоростей как Vo(r) и давление как р0(г) накладывается нестационарное малое возмущение скорости V\(t, г) и давления p\(t, г)), определенное таким образом, что результирующее решение v = v 0 + V\,p = Po + Р\ удовлетворяет уравнениям движения, а также начальным и граничным условиям. Уравнение для определения vx(t, г) и p\(t, г) получается подстановкой в гидродинамические уравнения движения (уравнения Навье - Стокса) этих величин в виде v = v0 + V\ up = po + P\, причем известные функции v0 и po удовлетворяют стационарным уравнениям.
Таким образом, задача гидродинамической устойчивости сводится к решению системы дифференциальных уравнений для возмущений в
частных производных, удовлетворяющих начальным и граничным условиям. В ряде практически важных случаев используются дополнительные упрощающие предположения, в частности, параллельность линий тока среднего течения. В этом случае, переходя в спектральное пространство частот и волновых чисел, задачу удается свести к анализу одного или нескольких обыкновенных дифференциальных уравнений, например, уравнений Орра-Зоммерфельда или Гёртлера. При однородных граничных условиях такой анализ эквивалентен исследованию поведения их наименее устойчивых собственных значений - фазовых скоростей с или волновых чисел к. Соответствующие им возмущения представляют собой стационарные вихри (например, Гёртлера - на вогнутых поверхностях и поперечного течения - на скользящих крыльях) либо периодические во времени колебания - волны Толлмина-Шлихтинга, распространяющиеся в пристенном пограничном слое.
Наибольший из параметров задачи (например, число Рейнольдса или Гёртлера), при котором все возмущения затухают, называется критическим, см. рис. 1. Расчеты критических чисел и кривых нейтральной устойчивости, определяющих области параметров, при которых исходное ламинарное течение устойчиво или неустойчиво по отношению к малым возмущениям - одни из основных задач теории гидродинамической устойчивости. Не менее важными характеристиками течения являются скорости нарастания его возмущений во времени и пространстве внутри области неустойчивости, а также форма колебаний.
/(,=0 с,= 0
к,>0 с.<0
Устойчивая область
Устойчивая область
Re*
Рис. 1 Типичная кривая нейтральной устойчивости пограничных слоев при умеренных числах Рейнольдса при временном (к,) и пространственном (сі) развитии возмущений (индекс «/'» означает мнимую часть величины).
Первые представления о линейной устойчивости пограничного слоя на плоской пластине появились в начале ХХ-го века, когда было получено уравнение Орра-Зоммерфельда. Это уравнение было выведено Орром в 1907 г. [21, 22] и независимо Зоммерфельдом в 1908 г. [23]. Одна из первых попыток решения этого уравнения принадлежит Прандтлю [24, 25], который изучал устойчивость идеализированного течения с профилем скорости, составленным из отрезков прямых, и пришел к неожиданному выводу, что вязкость может оказывать дестабилизирующее влияние. Позднее Толлмин [26], а затем и Шлихтинг [27, 28] впервые полностью рассчитали кривую нейтральной устойчивости для пограничного слоя
Блазиуса в параллельном приближении.
Несмотря на значительные успехи исследований в 20 - 30-е годы, теория гидродинамической устойчивости долгое время не получала широкого признания ввиду того, что экспериментаторам не удавалось обнаружить гидродинамических волн, предшествующих переходу к турбулентности. Первые эксперименты, показавшие правильность концепции неустойчивости ламинарного течения (как причины перехода к турбулентности), а также подтвердившие основные выводы теории гидродинамической устойчивости были проведены лишь в 1942 г., а опубликованы в 1948 г. Шубауэром и Скрэмстедом [2].
К настоящему времени получены обширные экспериментальные результаты, показывающие, что при низкой степени турбулентности внешнего потока переход к турбулентности в течениях близких к двумерным действительно происходит в результате усиления колебаний малых амплитуд, см. рис. 2. Вместе с тем, при повышенной возмущенности потока в процессе турбулизации пограничного слоя часто доминируют не волны неустойчивости, а т.н. «полосчатые структуры», которые могут формироваться в докритической (при Re < Re ) области течения, рис. 3.
При визуализации течения в пограничном слое подобные структуры, генерируемые в нем локализованными вихревыми возмущениями набегающего потока, предстают в виде узких, вытянутых в продольном направлении образований. Особая форма, скорость распространения в направлении потока, слабое расплывание в трансверсальном направлении и специфическое амплитудное поведение в комплексе отличают полосчатые
структуры от других вихревых возмущений, наблюдаемых в зоне ламинарно-турбулентного перехода.
Рис. 2 Схема основных стадий процесса перехода к турбулентности в пограничном слое: при малой степени турбулентности набегающего потока: I -развитие возмущений малых амплитуд (волн Толлмина-Шлихтинга), II -стадия трехмерного развития волн неустойчивости конечных амплитуд (Л-структур), III - область образования, развития и взаимодействия турбулентных пятен.
Для описания особенностей развития полосчатых структур в пограничных слоях предложено несколько подходов [10]. Их объединяет то, что структуры рассматриваются как стационарные или квазистационарные модуляции преимущественно продольной компоненты скорости пристенного сдвигового потока в трансверсальном направлении,
возникающие в ближней зоне их источников в присутствие нормальной компоненты скорости возмущения.
Рис. 3 Сценарии перехода к турбулентности при повышенной степени
турбулентности набегающего потока: I - стадия развития полосчатых структур; II - область нелинейного развития и зарождения турбулентных пятен; III -область развития и взаимодействия турбулентных пятен.
При этом, для объяснения возникновения полосчатых структур используется свойство неортогональности собственных функций линейных операторов, описывающих поведение возмущений в сдвиговом потоке. В реальности оно соответствует эффекту установления в пограничном слое для широкого спектра начальных возмущений, называемому «эффектом опрокидывания» [29 - 31]. Результатом «опрокидывания» являются образования, многие свойства которых оказываются действительно близки наблюдаемым в эксперименте у полосчатых структур. При том что
эффекты установления должны наблюдаться вблизи источника
возмущения, (квази)стационарность полосчатых структур, как правило,
приводит к тому, что размерная область их развития вниз по потоку очень
велика.
Развитие возмущений в двумерных пограничных слоях на поздних
стадиях перехода к турбулентности
Несмотря на регистрируемые в эксперименте большие амплитуды возмущений продольной компоненты скорости в полосчатых структурах (вплоть до 15-20% скорости внешнего потока), они развиваются в основном в соответствии с линейными моделями. Вместе с тем отмечено, что полосчатая структура может давать толчок развитию турбулентного пятна, причем на этапе непосредственно предшествующем его образованию, она обычно испытывает высокочастотные колебания. Один из предложенных механизмов генерации этих колебаний состоит в неустойчивости профилей продольной компоненты скорости в полосчатых структурах, что аналогично механизму вторичной неустойчивости в продольных стационарных вихрях различного происхождения. Например, развал полосчатых структур вторичной неустойчивостью можно сравнить с неустойчивостью вихрей Гертлера на вогнутой поверхности [32, 33]. Следует отметить, что вихри Гертлера представляют собой вихревое движение и содержат заметное движение в направлении, нормальном стенке; наоборот, в полосчатых струтурах v - компонента, водимо, весьма мала. Однако Ботарро и Клингманн [33], рассмотрев вторичную неустойчивость вихрей Гертлера, обнаружили, что наличие или отсутствие
поперечных компонент скорости почти не сказывается на неустойчивости, связанной с поперечными градиентами скорости. Это свидетельствует о возможно сходных механизмах перехода для полосчатых структур различного типа в пограничном слое.
Экспериментальные результаты показывают, что турбулизации течения волнами неустойчивости предшествует трехмерное искажение возмущений, при котором поля средних и пульсационных скоростей приобретают квазипериодическую структуру в трансверсальном направлении, см. рис. 4.
Рис. 4 Картины визуализации различных сценариев перехода в пограничном слое плоской пластины [34].
В зависимости от амплитуды первичных волн и спектра пульсаций в
пограничном слое наблюдаются различные сценарии
ламинарно-турбулентного перехода с преобладанием тех или иных
нелинейных механизмов. Например, двумерная волна Толлмина-Шлихтинга при достижении определенной амплитуды претерпевает трехмерное искажение, в результате чего возникают характерные Л-структуры возмущений [10].
Развиваясь вниз по потоку, они нарастают по амплитуде, всплывают к границе пограничного слоя, и, взаимодействуя друг с другом, способствуют окончательной турбулизации течения. В подобных ситуациях распространенной моделью возникновения и развития высокочастотных возмущений служит вторичная неустойчивость пространственно периодических течений. Вторичная неустойчивость типична как для стационарных (например, вихрей Гёртлера) так и для нестационарных (полосчатых и Л-образных) трехмерных структур возмущений [10]. Модулируя пограничный слой в трансверсалыюм направлении, они индуцируют перегибные профили скорости по нормали к поверхности и поперек потока. Эти профили оказываются неустойчивыми по отношению к высокочастотных колебаниям, эволюция которых и приводит течение к переходу в турбулентное состояние.
Вторичная неустойчивость переходных пристенных течений при наличии в них полосчатых структур часто характеризуется усилением нескольких мод возмущений. Визуализация течения, модулированного вихрями Гёртлера [35], показывает, что ламинарно-турбулентный переход в этом случае определяется вторичными механизмами, которые проявляются в виде «меандрирования» вихрей в поперечном потоку направлении, либо в появлении подковообразных жгутов в области сильного поперечного
сдвига скорости. Такие вторичные возмущения приписывают соответственно синусоидальной и варикозной модам неустойчивости, см. рис. 5. Некоторыми исследователями они сопоставляются с нечетной и четной модами, известными из аналитического и численного анализа неустойчивости вихрей Гёртлера. На практике доминирование той или иной моды зависит от конкретных начальных условий, в частности, от пространственного периода первичных возмущений.
а б а б
Рис. 5 Картины синусоидального (I) и варикозного (II) разрушения полосчатой структуры: (а) пространственная картина развития вторичного возмущения совместно с его влиянием на среднюю скорость, (б) пространственная картина развития вторичного возмущения (темные полутона - превышение скорости, светлые полутона - дефекты скорости) [36].
Особенности вторичной неустойчивости трехмерных пограничных слоев
На рис. 6 представлена визуализация обтекания тела вращения под углом атаки. Видно, что на структуру потока оказывают влияние такие факторы
как отрыв пограничного слоя, кривизна линий тока и поперечное течение. Существование поперечной компоненты скорости характерно также для пограничного слоя на скользящем крыле; устойчивость этого важного в практическом отношении течения широко исследуется теоретическими и экспериментальными методами [10].
Рис. 6 Визуализация обтекания тела вращения под углом атаки [37].
Из-за асимметрии течения, связанной с его поперечной составляющей, поведение волн неустойчивости и продольных структур в трехмерном пограничном слое претерпевает качественные изменения по сравнению с двумерной задачей. В частности, особенностью развития продольных структур на скользящем крыле является исчезновение одного из противовращающихся вихрей, рис. 7.
Важный аспект, касающийся исследования полосчатых структур - их роль в процессе турбулизации струйных течений, в которых они зарождаются вблизи среза плоского либо осесимметричного сопла [38, 39].
0.28 -2
Рис. 7 Пространственная картина развития высокочастотного вторичного возмущения, развивающегося на полосчатой структуре в пограничном слое скользящего крыла [40].
Ниже по потоку полосчатые структуры вносят заметный вклад в разрушение ламинарной струи, взаимодействуя с двумерными вихрями Кельвина-Гельмгольца. Пример такого взаимодействия, приводящего к образованию азимутальных Л- или /^-образных выбросов газа в круглой струе, приведен на рис. 8.
Рис. 8 Визуализация поперечного сечения круглой струи в процессе взаимодействия кольцевого вихря с полосчатыми структурами и образованием при этом азимутальных Л-структур [39, 40].
Управление ламинарно-турбулентным переходом
Известна потенциальная возможность существенного снижения сопротивления обтекаемых тел затягиванием перехода к турбулентности в пограничном слое. Развитые к настоящему времени методы управления ламинарно-турбулентным переходом основаны, главным образом, на выводах линейной теории устойчивости и призваны видоизменить среднее течение в пограничном слое, обеспечив его большую устойчивость к возмущениям потока. В числе таких методов - оптимизация контура обтекаемого тела, обеспечивающая благоприятный продольный градиент давления, охлаждение (нагревание) поверхности в воздушном (водном) потоке, отсос пограничного слоя через щели в поверхности или ее перфорированные участки.
Последние два десятилетия заметное внимание в числе прочих средств управления пограничным слоем отводится риблетам - миниатюрным бороздкам, которые наносятся на обтекаемую потоком стенку в направлении его местной скорости. Имея достаточно простую конструкцию и не требуя дополнительных затрат энергии на управление течением, эти устройства способны обеспечивать снижение сопротивления трения в некоторых случаях более, чем на 10%. Воздействие риблет на развитие Л-образных структур возмущений пограничного слоя демонстрируется на рис. 9 пространственными контурами пульсаций скорости.
При движении структуры вниз по потоку над гладкой поверхностью происходит увеличение ее поперечного и продольного масштабов, в итоге, она преобразуется в уединенное турбулентное пятно. С другой стороны,
над оребренной поверхностью внесенное в пограничный слой возмущение изменяется слабо и течение сохраняется ламинарным на более протяженном участке.
Другой подход к управлению ламинарно-турбулентным переходом заключается в воздействии не на среднее течение и его устойчивость, а непосредственно на пульсационную компоненту скорости. В этом случае подавление волн неустойчивости пограничного слоя может быть достигнуто генерацией в нем колебаний такой же природы в благоприятном фазовом соотношении с исходным возмущением.
а б
Рис. 9 Пространственные картины термоанемометрической визуализации развития Л-структуры на гладкой (а) и оребренной (б) поверхности плоской пластины (темные полутона - превышение скорости, светлые полутона - дефект скорости) [41].
Управление переходом с использованием волновой суперпозиции требует эффективных способов генерации возмущений ламинарного течения. В свою очередь, их выбор определяется уровнем понимания протекающих в пограничном слое переходных процессов. В их числе -возбуждение колебаний пограничного слоя пульсациями внешнего потока в начальной стадии ламинарно-турбулентного перехода (т.н. явление «восприимчивости» пограничного слоя), которое является темой многочисленных современных исследований [10].
Реализация данного подхода к управлению течением предполагает существование в пограничном слое доминантных возмущений -выделенных гармоник в спектре волн неустойчивости. При моделировании процесса управления в лабораторном эксперименте [42, 43] такие возмущения задаются искусственно периодическим возбуждением течения акустическими колебаниями потока, вибрирующими устройствами и вдувом / отсосом газа через обтекаемую поверхность. Управляющая волна генерируется вторым волнообразователем и используется для минимизации первичного возмущения при их оптимальном амплитудно-фазовом соотношении.
В практических ситуациях затягивание перехода к турбулентности указанным способом может быть достигнуто при воздействии на произвольное трехмерное поле возмущений, в числе которых - продольные вихри и полосчатые структуры. Очевидно, что для этого требуется сложная система управления, включающая детекторы возмущений (датчики), определяющие основные характеристики пульсаций анализаторы, и
формирующие управляющий сигнал активаторы. Использование такой схемы управления, в принципе, позволит разрушить первичные и остаточные возмущения течения в зоне ламинарно-турбулентного перехода.
В этом отношении становятся актуальными исследования гидродинамических эффектов, сопровождающих генерацию трехмерных локализованных структур пограничного слоя. При импульсном воздействии локализованного источника возмущений в пограничный слой вводится возмущение с широким спектром частот и волновых чисел; спектральные компоненты, оказывающиеся в диапазоне неустойчивости течения, могут привести к зарождению волнового пакета нарастающих колебаний с последующим образованием турбулентного пятна. Данное явление, неоднократно наблюдалось в исследованиях продольных структур, вводимых в пограничный слой с помощью колеблющейся мембраны [18] или вдувом / отсосом газа [16, 20]. Возникающие при этом волновые пакеты-предвестники - локализованы вблизи фронтов продольных структур пограничного слоя, рис. 10. Фактически, предвестник является результатом дисперсии исходного возмущения в форме прямоугольного импульса и усиления его неустойчивых спектральных составляющих.
По мере распространения вдоль потока предвестники преобразуются в Л-образные структуры, развивающиеся в свою очередь в турбулентные пятна. В настоящее время выяснено, что эволюция предвестников во
многом определяется условиями их возникновения. В частности, его удается избежать сглаживанием фронтов продольных структур.
X = 160, Z =0 мм
Рис. 10 (а) - Изолинии пульсационной составляющей скорости продольной
структуры полученной методом вдува и волновых пакетов-предвестников на ее фронтах. (Ь) - Предвестник крупным планом, (с) - Распределение среднеквадратичного отклонения пульсационной составляющей скорости -зеленая линия, профиль пограничного слоя - голубая линия, распределение фазы пульсаций - красная линия.
Условием применения обсуждаемого метода управления переходом к турбулентности является соответствие пространственных масштабов детекторов возмущений, активаторов и контролируемых в потоке явлений. Возможности изготовления необходимых для этого миниатюрных механических частей и устройств открывают последние достижения микромашинной технологии [14]. Предельно малые масса,
теплопроводность и другие инерциальные характеристики микродатчиков и микродвигателей для управления течением удовлетворяют основному предъявляемому к ним требованию - отклику на высокие частоты пульсаций. Более того, в перспективе представляется возможным распределенное управление обтеканием тел при объединении в интегрированную систему микродатчиков, микродвигателей и микропроцессоров, рис. 11.
Микроактиваторы
Микро датчики
Направление потока
Встроенные ми кропроцессоры
Датчики и активаторы
Нейронная сеть
~^*
Интегрированная микросистема
Задержка перехода
Теория управления
Рис. 11 Схема активного контроля процесса перехода к турбулентности с использованием микроскопических электромеханических систем.
Такая система может быть образована поверхностными датчиками напряжения сдвига, улавливающими локализованные возмущения пограничного слоя, встроенную нейронную сеть для обработки сигналов в соответствии с алгоритмом распознавания образов и набор, например,
магнитных закрылков для воздействия на вихревые структуры пограничного слоя. Данный подход к управлению течениями стимулирует новые научные и инженерные разработки, касающиеся распределенного управления, усталостных свойств микромеханических частей и гидродинамических явлений на малых масштабах.
