Введение к работе
Актуальность темы. Отрыв пограничного слоя от поверхности обтекаемого тела принадлежит к числу фундаментальных явлений механики жидкости и газа. Её различные задачи связаны с многообразием отрывных течений: двух- и трехмерными, ламинарными и турбулентными, локальными и глобальными областями отрыва, возникающими и широком диапазоне параметров. Аэродинамика летательных аппаратов, других транспортных средств и наземных сооружений, эффективность работы разного рода технических устронств и применение химических технологии, использующих течения жидкостей и газов - области в которых важная роль принадлежит отрыву пограничного слоя. Прогнозирование отрывных течений и разработка методов управления ими -вопросы, на решение которых направлены экспериментальные и теоретические работы других авторов, выполненные до сих пор и продолжающиеся в настоящее время.
Данная работа объединяет результаты исследований течении, возникающих при отрыве ламинарного пограничного слоя в потоке несжимаемого газа - локальных отрывных областей или т.н. "отрывных пузырен". Фундаментальным свойством таких течений является их гидродинамическая неустойчивость, возникающая уже при сравнительно небольших числах Рейнольдса. В условиях неустойчивости ламинарный отрыв сопровождается турбулизацией течения и область отрыва формируется в "переходном" режиме: как сам процесс образования так и характеристики отрывного течения оказываются зависящими от процесса ламинарно-турбулентного перехода. Подобная ситуация характерна для аэродинамики крыловых профилей и крыльев при низких числах Рейнольдса. обтекания поверхностей с расположенными па них геометрическими неоднородностями малой высоты ( ступеньками, выступами и др), течений в окрестности острых кромок и т.п. Возникновение локальных областей отрыва пограничного слоя в условиях гидродинамической неустойчивости и ламинарно-турбулентного перехода - проблема, вызывающая обоснованный интерес.
Традиционное направление экспериментальных работ по переходным отрывным течениям заключается в параметрическом изучении их основных характеристик в зависимости от условий возникновения отрыва. Определенные в эксперименте корреляции, в частности, данные о положении перехода к турбулентности в зоне отрыва, используются, в свою
очередь, в расчетах с использованием эмпирических соотношений. В общем случае такой подход к исследованиям отрывных течений несомненно целесообразен, однако именно в переходном режиме течения данные, полученные разными авторами, имеют значительный разброс и надежность эмпирических корреляций сравнительно невелика. Причина заключается в зависимости формирования отрывной зоны от ламинарно-турбулентного перехода, который, в свою очередь, является сложным процессом, чувствительным к слабым изменениям условий обтекания. Новые возможности в построении более точных, по сравнению с существующими, моделей отрывных течений, а также, в развитии перспективных методов управления отрывом пограничного слоя могут быть получены при изучении самого по себе ламинарно-турбулентного перехода за точкой отрыва и сопутствующих ему явлений, с которыми взаимосвязано образование отрывных областей, их средние во времени и нестационарные характеристики.
Изложенным выше состоянием дел обусловлена цель работы. Она заключалась в систематическом экспериментальном изучении собственно тех процессов и явлений, вызванных гидродинамической неустойчивостью, которые протекают в областях отрыва ламинарного пограничного слоя, формирующихся в переходном режиме течения в условиях низкой воз.мущенности набегающего потока.
Научная новизна. В настоящей работе первые выполнено детальное исследование нестационарных характеристик отрывных течений путем экспериментального моделирования волновых явлений, сопровождающих отрыв пограничного слоя. При этом получены следующие новые научіше результаты:
определены основные характеристики возмущений малых амплитуд, которые нарастают на начальном этапе перехода к турбулентности в отрывных зонах, и зависимость устойчивости течений от условий возникновения отрыва пограничного слоя;
получено экспериментальное подтверждение примененимости линейного приближения локальной теории гидродинамической устойчивости для описания свойств колебаний, развивающихся в областях отрыва;
установлены пути возбуждения волн неустойчивости отрывных течений акустическими колебаниями потока и влияние геометрии течения на эффективность генерации возмущений;
воспроизведены ключевые явления в процессе перехода к турбулентности на участке нелинейных амплитуд -возмущений; "определены особенности нелинейной стадии развития возмущений ламинарного течения в областях отрыва;
получены уточненные представления о характерной для переходных областей отрыва зависимости средних во времени и пульсационных характеристик течения от процесса турбулизации, которая связана с обратным (вверх по потоку) атиянием возмущенного течения;
предложены физические механизмы воздействия колебаний на отрывное течение в задаче управления ламинарным отрывом с помощью внешнего периодического возбуждения, которые заключаются в их влиянии на процесс перехода к турбулентности за точкой отрыва.
Достоверность результатов обеспечена использованием в работе универсальных и отработанных методов экспериментального исследования, повторяемостью результатов, полученных в опытах, проведенных в разное время. Результаты работы согласуются с опубликованными данными о характеристиках подобных течении 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 В итоге проведенного цикла исследований сформировано комплексное представление о процессах, протекающих в локальных отрывных зонах, которые обусловлены фундаментальным свойством неустойчивости отрывных течений. Полученные в работе данные обосновывают применимость подходов, используемых в теории для описания возбуждения и развития возмущений ламинарных пограничных слоев, к течениям рассмотренного класса, служат исходным экспериментальным материалом, необходимым для построения новых уточненных моделей переходных отрывных течений и разработки перспективных методов управления отрывом потока.
Апробация работы. Результаты выполненного цикла экспериментальных исследований докладывались автором и обсуждались на Всесоюзной школе-семинаре по нелинейным задачам в теории гидродинамической устойчивости, Москва, 1980, 1982; семинаре 'Синтез численных и асимптотических методов исследования отрывных течений",
Киев, 1980; Всесоюзном симпозиуме по физике акустико-гидроцинамн-ческих явлений и оптоакустике, Ташкент, 1982; симпозиумах ШТАМ по ламинарно-турбулентному переходу, Новосибирск, 1984, Тулуза, 1989; симпозиуме ШТАМ по отрыву пограничного слоя, Лондон, 1986: коллоквиуме Euromech по неустойчивости пограничного слоя, Эксетер, 1987; Всесоюзном семинаре "Отрывные и струйные течения", Новосибирск, 1988; Всесоюзном семинаре по гидродинамической устойчивости и турбулентности, Новосибирск, 1989; школе-семинаре ЦАГИ "Механика жидкости и газа", Москва, 1990; симпозиуме ШТАМ по отрывным течениям и струям, Новосибирск, 1990; центральном коллоквиуме отделения Немецкого аэрокосмического общества в Геттингене, 1993; 2-м Сибирском семинаре по устойчивости гомогенных и гетерогенных жидкостей, Новосибирск, 1995; семинаре по гидромеханике в Техническом университете Берлина, 1995. Результаты проведенных исследований опубликованы в [1 - 34].
Личный вклад диссертанта в работы, выполненные в соавторстве, заключается в его непосредственном участии в исследованиях на всех стадиях их проведения, обработке и оформлении полученных данных. В этих работах автору диссертации принадлежат: постановка части экспериментов по линейной устойчивости отрывных течений, публикации [16, 20, 33], нелинейным свойствам колебаний, [17, 23], эффектам обратного шіияния возмущении в областях отрыва пограничного слоя [16, 20, 24]; сопоставление полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными других авторов [16,20, 21, 23, 25, 30, 33]; обобщения результатов исследований, сделанные в [21,25, 30, 34].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы из 207 источников. Общий объем работы составляет 244 стр, включая 106 рисунков и 1 таблицу.