Введение к работе
Актуальность темы Проблема перехода к турбулентности в трехмерных сдвиговых слоях является одной из наиболее сложных и интересных задач. Обычно в реальных пограничных слоях в силу различных причин (кривизпы поверхности, поперечного течения) формируются стационарные вихревые структуры, которые заметно изменяют характеристики устойчивости потока и порождают новые высокочастотные бегущие возмущения (вторичная неустойчивость). В случае малотурбулентного внешнего потока вторичная неустойчивость оказывается доминирующей и приводит к докритическому (в смысле волн Толлмина-Шлихтинга) переходу к турбулентности.
В работах других исследователей обычно изучается переход в вихрях Гертлера (противоврагцающихся вихрях), для которых сложилась уже достаточно полная картина развития неустойчивости, тогда как для совращающихся вихрей эта проблема изучена слабо. Немногие экспериментальные исследования, посвященные переходу в совращающихся вихрях, носят качественный характер и проведены при "естественных" условиях потока. В этом случае сложность исследуемой задачи усиливается из-за обилия различных видов неустойчивости в пограничном слое скользящего крыла. Зачастую исследования вынужденно ограничены рассмотрением взаимодействий между различными модами этого течения без выделения на этом фоне вторичной неустойчивости стационарных вихрей. Полученные таким образом данные зачастую противоречивы, что в первую очередь относится к механизму вторичной неустойчивости.
Для решения этой проблемы представляется актуальным провести исследование в условиях модельного эксперимента, что даст возможность изучить процесс развития возмущений вне зависимости от многих посторонних факторов, зачастую мешающих поиску. Данная работа в первую очередь была направлена па выявление механизма вторичной неустойчивости, который является предметом долгих споров. Данные о вторичных волнах были получены с точки зрения неустойчивости нового целостного образования: пограничного слоя, содержащего продольные стационарные вихри.
Особенно актуальным представляется развитие методов управления неустойчивостью и переходом в трехмерном течении пограничного слоя, что до сих пор представлялось самостоятельной задачей. На основе полученных данных о механизме вторичной неустойчивости в такого рода потоках, в данной работе предложены некоторые методы управления переходом к турбулентности.
Цель работы заключалась в исследовании свойств собственных бегущих вихревых возмущений, развивающихся в продольных стационарных вихрях, расположенных в пограничном слое в условиях контролируемого эксперимента. Изучались: устойчивость трехмерного течения к его собственным малым возмущениям, возбуждаемым различными источниками, механизмы, ответственные за рост возмущений в трехмерном течении, возможность управления переходом к турбулентности как пассивными, так и активными средствами.
Научная новизна
Экспериментально исследована вторичная неустойчивость в продольных стационарных совращающихся вихрях
Показано, что вне зависимости от источника возмущений переход к турбулентности осуществляется на основе развития одного волнового пакета, характеристики устойчивости которого впервые определены в работе. Отмечено, что волновой пакет имеет участок линейного нарастания.
Выявлен механизм, ответственный за возникновение неустойчивости в данном течении, связанный со взаимным расположением локального градиента скорости и критического слоя. Прослежена и обоснована зависимость величин коэффициентов нарастания волн от расстояния между вихрями. Обоснована принципиальная роль расположения и амплитуды локальных максимумов градиентов скорости.
Отработана методика двухниточных измерений в присутствии сильного поперечного градиента скорости.
Впервые предложены и обоснованы три метода управления развитием неустойчивости: оребрение поверхности в области роста возмущений, локализованный отсос непосредственно под вихрем и взаимогашение возмущений путем дополнительного возбуждения волн в противофазе.
Достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методик измерений, многократной повторяемостью результатов, а также их сопоставлением с данными из литературных источников.
Научная и практическая ценность.
Результаты по устойчивости и механизмам, ответственным за возникновение турбулентности, изложенные в диссертационной работе, могут быть использованы в моделировании процессов перехода в подобных течениях. Показана принципиальная роль взаимного расположения локальных максимумов градиентов скорости и критического слоя. Полученные данные указьшают на возможности затягивания ламинарно-турбулентного перехода при помощи оребрения поверхности, локального отсоса, дополнительного возбуждения волн в противофазе к "естественным".
На защиту выносятся: результаты экспериментального исследования вторичной неустойчивости, возникающей на продольньк стационарных со-
вращающихся вихрях; результаты экспериментального исследования структуры среднего течения и механизмов неустойчивости в этом течении; методы управления переходом к турбулентности в данном течении.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН и представлялись на следующих конференциях: Международный коллоквиум Евромех (Германия, 1997), Международные симпозиумы ИЮТАМ (ШТАМ) по ламипарно-турбу-лентному переходу (Сендай, Япония, 1994) и по нелинейным процессам и переходу в трехмерном пограничном слое (Манчестер, Англия, 1995), Международная конференция по методам аэрофизических исследований (ICMAR) (Новосибирск, 1994, 1996), Сибирский семинар "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1994, 1995, 1997), Международный научный конгресс молодых ученых (Москва, 1996), Международная Научная Студенческая Конференция (НГУ, Новосибирск, 1994).
Публикации. Основные результаты опубликованы в 15 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и изложена на 180 стр., включая 77 рисунков.