Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития техники, в частности, авиационного моторостроения, ставит перед инженерами и конструкторами ряд проблем, часть из которых тесно связана с таким физическим явлением как переход ламинарной формы течения в пограничном слое над поверхностью лопаток турбин, компрессоров и вентиляторов в турбулентное состояние. Успешное решение целого ряда практических задач, таких как снижение сопротивления трения, проблемы тепломассообмена и т.п., зависит от понимания процессов зарождения вихревого, сшшно неустойчивого движения в этих пограничных слоях. Взаимодействие пограничного слоя с сильно возмущённым (турбулентным) внешним потоком характеризуется, в первую очередь, доминирующим влиянием интенсивной вихревой составляющей над всеми остальными внешними возмущающими факторами (акустикой, вибрацией модели, неоднородностями обтекаемой поверхности, а также их комбинацией). Несмотря на заметный прогресс в изучении ламинарно-турбулентного перехода при малом уровне внешних возмущений как в экспериментальном плане, так и в теоретических и расчетных исследованиях, механизм перехода в пограничном слое, при интегральной интенсивности внешних пульсаций7 превышающей некоторое пороговое значение (сильно разнящееся от одной экспериментальной работы к другой), остаётся до сих пор непонятным и обозначается коротким английским словом bypass {"обход"). При этом подразумевается, что более ранний переход к турбулентности происходит не через процессы зарождения, линейного усиления и нелинейного развития волп неустойчивости, а через генерацию интенсивных, существенно трёхмерных возмущений в пограничном слое, индуцирсванш.гх в сдвиговом пристенном течении сильно возмущёнпмм внешним потоком. Дальнейшая пространственная эволюция этих возмущений приводит либо к ещё большему искажению течения пограничного слоя, либо'образованию уединённых турбулентных пятен.
На сегодняшний день существует два основных направления в исследовании перехода в таких условиях. Первое, наиболее распространённое - это изучение "естественного" (неконтролируемого исследователями) перехода, зависящего, в первую очередь, от особенностей установки на которой проводится эксперимент. При этом выводы строятся на основе спектров мощности, используемых при работе со случайными процессами. В умеренном, а тем более в сильно возмущённом течении пограничного слоя основная энергия возмущённого движения содержится в области низких частот. При этом корреляция пульсаций скорости в трансверсалышм направлении указывает на существование существенно трёхмерных вихревых образований, сильно отлігтющихся по своим характеристикам от волн неустойчивости, определяющих переход при малой турбулентности набегающего потока. Эксперименты
показьшают, что, начиная с некоторого порогового уровня интенсивности внешних пульсаций 8, порядка 1.0 % от скорости набегающего потока U0, обнаружить волны Толлмина-Шлихтанга (Т-Щ) такими методами нельзя вследствие невозможности разделить в спектре мощности сигналы различной природы. Причинами являются отсутствие фазовой информации, с одной стороны, и одна и та же нормировка для случайных (стохастических) сигналов -с другой. Второе направление исследования "обхода" заключается в попытке ввести в возмущенный пограничный слой периодическое возмущение и, таким образом, изучить поведение и влияние на переход детерминированной составляющей сигнала. Г.Р. Грек, В.В. Козлов и М.П. Рамазанов первыми применили широко используемую при е ~ 0.0001 Uо методику контролируемых возмущений в сильно возмущенном пограничном слое и показали возможность существования волн Т-Щ при степени турбулентности набегающего потока г > 0.0111 и. Позже, эксперименты Всстина и др. подтвердили существование и возможное влияние на переход искусственно генерируемых двухмерных волн Т-Ш. Однако, несмотря на совпадение распределений собственных функций волн неустойчивости со случаем невозмущенного потока, осталась без объяснения, как и в экспериментах Грека с соавт., причина меньших инкрементов роста волн в случае е > 0.01 U0.
Следует подчеркнуть, что отмечеиные две экспериментальные работы, проведенные в модельной постановке па фоне многочисленных исследований "естественного" перехода, впервые позволили не только качественно, но и количественно описать поведение волн Т-Ш в сильно возмущённом пограничном слое. Однако, ках отмечалось выше, определяющими в переходной области пограничного слоя при повышенной степени турбулентности внешнего потока являются существенно трехмерные, низкочастотные образования, а не волны Т-Ш (хотя не следует a priori исключать взаимодействие между возмущениями различной природы).
Несмотря на важность изучения поведения сильно возмущенного пограничного слоя, существует лишь несколько разрозненных экспериментальных данных но генерации и развитию локализованных возмущений умеренных и больших амплитуд, которые продемонстрировали принципиальную возможность как генерации возмущений, существенно отличающихся от пакетов волн Т-Ш и турбулентных пятен, так их взаимодействие с бегущими волнами. Все эксперименты носили качественный характер; при этом остались без ответа вопросы об устойчивости и восприимчивости пограничного слои к различного рода локализованным возмущениям, об универсальности (если она имеет место) поведения пограничного слоя при мощном локализованном воздействии на него, а также о том, насколько искусственно генерируемые в пограничном слое образования моделируют течение возмущенного пограничного слоя в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока.
Таким образом, становится необходимым изучение доминирующих при повышенной степени турбулентности вихревых структур сильно возмущенного пограничного слоя, а так/же их возможного взаимодействия с волнами неустойчивости, существование которых подтверждено уже в нескольких установках. Учитывая сложность предмета изучения и безуспешные попытки исследований в "естественных" условиях показать основные механизмы, лежащие в основе перехода при е > 0.0Шо., настало время попытаться смоделировать процесс взаимодействия интенсивных вихревых образований с пограничным слоем, приводящий к возмуїдению последнего с послсдуюіцим, более ранним по сравнению с малым е, переходом. При этом, на первое место выходит изучение зарождения и развития в пограничном слое локализованных не только в пространстве, но и во времени возмущений конечных и больших амплитуд.
Целью данной работы является: экспериментальное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое на плоской пластине в условиях сильно возмущённого внешнего течения, а именно, моделирование взаимодействия локализованного в пространстве и времени вихревого образования с пограничным слоем (т.е. проблема восприимчивости пограничного слоя к существенно трёхмерным возмущениям набегающего потока). Изучение универсальности развития существенно трехмерных изолированных возмущепий умеренных и больших амшштуд в пограничном слое, а также зависимости от начальных данных. В рамках концепции вторичной неустойчивости исследование в модельной постановке взаимодействия локализованных возмущений с высокочастотными бегущими волнами, а так/тке изучение устойчивости трёхмерного, стационарно возмущённого пограничного слоя к бегущим волнам.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Впервые получены характеристики развития локализованных, существенно трёхмерных возмущений пограничного слоя умеренных и больших амплитуд, которые удалось получить с помощью созданной и апробированной методики сбора данных и проведения экспериментов по изучению локализованных, периодических и случайных сигналов.
-
Исследовано развитие волн неустойчивости на ламинарных участках между турбулентными областями.
3. Впервые исследован процесс зарождения и эволюции различных
локализованных возмущений в пограничном слое, вводимых как с поверхности
пластины, гак*из набегающего потока и, наряду с зависимостью от начального ноля
возмущений, показаны универсальные характеристики, присущие сильно возмущенному
пограничному слою.
4. Впервые описаны как с локальной, так и со спектральной точек зрений все
стадии взаимодействия локализованного возмущения больших амплитуд с
высокочастотным периодическим возмущением в области докритических чисел Рейнольдса. Показано, что результатом взаимодействия локализованного возмущения с затухающей волной будет трёхмерный волновой пакет, пространственная эволюция которого может закончится либо возникновением уединенного турбулентного пятна, либо регенерацией узких продольных образований поіраничного слоя, приводящих к гораздо более сильному поперечному искажению течения пограничного слоя, сохраняющемуся на значительном расстоянии вниз по потоку.
-
Впервые проведено сравнение структуры и пространственной эволюции изученных 3-х мерных образований в условиях их различной генерации в пограничном слое со случаем "естественно" возмущённого течения пограничного слоя при степени турбулентности набегающего патока больше 0.01 U0, продемонстрировано их не только качественное, но и количественное совпадение.
-
Впервые исследована вторичная неустойчивость и переход к турбулентности стационарно возмущённого пограничного слоя. Отмечено, что в условиях сильной поперечной модуляции пограничного слоя переход связан возникновением и усилением (на линейной и нелинейных стадиях) пакета высокочастотных бегущих волн, отличных но своим характеристикам от волн Т-Ш. Показано, что в отличие от изученного взаимодействия локализованного возмущения с волной Т-Ш, максимальные пульсации связаны с максимальным градиентом средней скорости в поперечном направлении 3U/3z, при этом, нелинейная стадия характеризуется возбуждением высших гармоник с последующим заполнением низкочастотной области спектра.
Достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждена путём проведения экспериментов на различных аэродинамических трубах и сопоставлением полученных данных с существующими расчётными работами.
Научная и практическая ценность. Подход, разработанный и развитый в данной работе и апробированный для исследования классического случая развития возмущений в пограничном слое на плоской пластине,впервые позволил получить количествсішьіе данные как но возникновению и развитию локализованных возмущений умеренных и больших амплитуд, так и по их взаимодействию с возмущениями других типов (волн Т-Ш). Данная методика исследований может быть перенесена на изучение подобного рода задач в других классах течений, таких как пограничный слой на скользящих крыльях, течение Пуазейля и др.
Экспериментальные данные, полученные в работе, могут быть использованы и частично уже используются для апробации развиваемых методов теоретических и расчётных работ по переходу к турбулентности.
На защиту выносятся:
- методика сбора данных и проведения экспериментов по эволюции и взаимодействию одиночных, периодических и стохастических возмущений, включая
полный (амплитудный и фазовый частотно-волновой) спектральный анализ полученных данных;
- результаты экспериментальных исследований по:
а) развитию волн неустойчивости между турбулентными областями;
б) зарождению и развитию локализованных возмущений в результате
импульсного воздействия на пограничный слой с поверхности пластины;
в) взаимодействию зарождаюшеї-ося пограничного слоя плоской пластины с
искусственным вихревым образованием набегающего потока;
г) взаимодействию локализованных возмущений пограшггаого слоя больших
амплитуд с затухающей волной неустойчивости;
д) устойчивости сильно модулированного в поперечном направлении
пограничного слоя к высокочастотным бегущим волнам.
Апробация работы публикации. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН и представлялись на ХХХ-ой Международной Научной Студенческой Конференции (г. Новосибирск, 1992), на Семинаре по "Устойчивости и Переходу" (Рослаген, Швеция, 1993), на Ежегодной Конференции Отделения Динамики Жидкости Американское) Физического Общества (Albuquerque, New Mexico, 1993), на Международной Конференции по Методам Аэрофизических Исследований (г. Новосибирск, 1994), на Международном IUTAM-симпозиуме по ламинарно-турбулентному переходу (г. Сендай, Япония, 1994), на 2-м Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей", (Новосибирск, апрель, 1995), а также в Королевском технологическом институте (Стокгольм, Швеция, 1994) и опубликованы в 14 работах, список которых приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 155 наименований и приложения. Полный объём 328 страниц, в том числе 72 стр. рисунков.