Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный этан развития техники, в частности авиационного моторостроения, поставил перед инженерами и конструкторами ряд проблем, тесно связанных с возникновением турбулентности в пограничном слое на лопатках турбин, компрессоров и вентиляторов (снижение сопротивления трения, проблема тепломассообмена и т.д.). Решение этих проблем зависит, во многом, от понимания механизма ламинарно-турбулентного перехода в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока.
В настоящее время достигнуты определенные успехи и решении данной проблемы, хотя, как отмечает профессор Е. Решстко в одной из своих обзорных работ, "механизм ламинарно-турбулентного перехода до сих пор остается непонятным". С одной стороны, есть экспериментальные результаты показывающие, что процесс перехода в данных условиях осуществляется через механизм развития волн Толлмина-Шлихтинга (Т-Ш), как и при низкой степени турбулентности набегающего потока; а с другой стороны, существуют прямо противоположные результаты экспериментов показывающие, что переход к турбулентности может проходить минуя стадию образования и развития волн неустойчивости, т.е. свойства пограничного слоя но взаимодействию и преобразованию возмущений кардинально меняются.
В последние годы пристальное внимание исследователей обращено на роль локализованных продольных вихревых структур в процессе перехода. В частности, при визуализации процесса перехода в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока на стадии предшествующей возникновению турбулентных пятен наблюдаются характерные продольные структуры, так называемые "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 такого течения, вызваипой генерацией, в зависимости от тех или иных условий, продольных стационарных вихрей, типа вихрей Тейлора-Гсртлера 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 турбулизации течения. В данной работе приводятся результаты исследований но управлению процессом развития возмущений имеющих место как при низкой, так и повышенной степени турбулентности набегающего потока с помощью отсоса газа из пограничного слоя и посредством модификации обтекаемой поверхности (применение риблет).
Все вышеизложенные результаты исследований но 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 возмущений различного типа 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.
Цель работы. Исследование устойчивости и восприимчивости пограничного слоя, а также роли волн Толлмина-Шлихтинга в процессе перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока; изучение механизма взаимодействия волн неустойчивости с локализованными вихревыми возмущениями; исследование характеристик развития и структуры локализованных возмущений типа "пафф", "зарождающееся турбулентное пятно" и турбулентное пятно; изучение устойчивости трехмерного пограничного слоя; исследование механизма управления процессом, развития возмущений различного типа с помощью отсоса и применения риблет.
Научная новизна:
- Обоснована и развита методика экспериментальных исследований при
повышенной степени турбулентности набегающего потока с использованием
искусственных возмущений, т.е. в "контролируемых" условиях.
- Исследованы характеристики развития волн неустойчивости как в
градиентных, так и безграднентных течениях при повышенной степени
турбулентности набегающего потока.
- Предложен и исследован один из возможных механизмов перехода при
повышенной степени турбулентности набегающего потока, осуществляемый
через процесс взаимодействия волн Толлмина-Шлихтинга с локализованными
возмущениями типа "нафф"; изучены интегральные характеристики разіштия "паффа", генерированного различными способами, в том числе и вихревыми возмущениями из набегающего пшика.
Исследованы структура и характеристика развития локализованных вихревых возмущений типа "пафф", "зарождающееся турбулентное пятно" (incipient spot) и процесса взаимодействия возмущений.
Изучены структура и характеристики развития уединенного турбулентного пятна, а также процесс взаимодействия днух турбулентных пятен; исследованы основные характеристики развития турбулентного пятна при иовьпиенной степени турбулентности набегающего потока.
Исследована устойчивость пограничного слоя, модулированного продольными стационарными вихрями типа вихрей Тейлора-Гертлера, и показана связь между генерацией и развитием волновых пакетов на стационарных вихрях с волновыми пакетами, которые генерируются через процесс взаимодействия волн Толлмина-Шлихтинга с "иаффами" при повышенной степени турбулентности набегающего потока.
Изучен механизм управления процессом развития возмущений с помощью отсоса газа из пограничного слоя при повышенной степени турбулентности набегающего потока; исследовано влияние риблет на процесс развития различных возмущений и впервые установлено, что риблеты неблагоприятно влияют на развитие двумерных волн неустойчивости и оказывают благоприятное (стабилизирующее) влияние на процесс развития локализованных вихревых возмущений типа Л-вихрсй, стационарных вихрей и т.д.
Научная и практическая ценность. Подход в экспериментальных исследованиях по ламинарно-турбулентному переходу при повышенной степени турбулентности набегающего потока, развитый в данной работе и апробированный для исследования классического случая развития возмущений в пограничном слое на плоской пластине, а также на моделях с крыловым профилем, позволил получить новые данные о механизме этого процесса, связанные с ролью локализованных вихревых возмущений и возможностью их взаимодействия, в частности, с волнами Толлмлна-Шлихгинга (Т-Ш), что приводит к генерации волновых пакетов способных трансформироваться в турбулентные пятна. Данный подход открывает новое направление в исследованиях перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока, основой которого, в частности, является изучение высокочастотной (вторичной) неустойчивости течения, модулированного продольными локализованными вихревыми структурами типа "паффов" (английский термин "streaky-structures").
Экспериментальные данные, полученные н работе, могуг быть использованы для апробации развиваемых методов теоретических расчетов но переходу к турбулентности как в трехмерных пограничных слоях, так и в пограничном слое при повышенной степени турбулентности набегающего потока.
Результаты исследований но восприимчивости, устойчивости и управлению позволяют дать рекомендации по разработке и совершенствованию различных устройств, работающих в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока, а также в трехмерных пограничных слоях со стационарными вихрями типа вихрей Тейлора-Гертлера.
Результаты исследований но управлению развитием возмущений с помощью риблет могут бьпъ использованы как для рекомендаций но их расположению в переходной области, так и для разработки и создания риблет оптимальной формы и размеров. В частности, показано, что не рекомендуется устанавливать риблеты на линейной стадии развития возмущений (волн Т-Ш) классического перехода, так как это приводит к его ускорению; установка же риблет на нелинейной стадии, где развиваются продольные вихревые структуры, способствует затягиванию перехода. Стабилизирующее влияние риблет на стационарные вихри типа вихрей Тейлора-Гертлера указывает на то, что риблеты должны находится в области развития данных структур. Исследованиями показано, что отсос газа из пограничного слоя при повышенной степени турбулентности набегающего потока снижает интенсивность развития как волн Толлмина-Шлихтинга, так и возмущений турбулентного фона, что приводит к затягиванию перехода к турбулентности.
Автор защищает результаты:
-
Разработки методики и аппаратуры для генерации и исследования процесса развития возмущений в пограничном слое.
-
Исследования по возбуждению, развитию и влиянию на переход к турбулентности волн Т-Ш, но устойчивости и восприимчивости пограничного слоя при повышенной степени турбулентности набегающего потока.
-
Исследования по моделированию механизма перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока, осуществляемого через процесс взаимодействия волн Т-Ш с локализованными вихревыми возмущениями типа "пафф".
-
Исследования характеристик развития и структуры локализованных возмущений типа "пафф", "зарождающееся турбулентное пятно" и турбулентное пятно.
-
Исследования взаимодействия турбулентных пятен и характеристик развития турбулентного пятна при повышенной степени турбулентности набегающего потока.
-
Исследования устойчивости пограничного слоя, модулированного продольными стационарными вихрями тина вихрей Тейлора-Гертлера.
-
Исследования механизма управления процессом развития возмущений различного типа с помощью отсоса газа из пограничного слоя и с помощью орсбрсния (риблеты) обтекаемой поверхности.
Апробация работы я публикации. Основные положения и результаты работы докладывались на: II Международном ШТАМ - симпозиуме по ламинарно-турбулентному переходу (г.Новосибирск, 1984 г.), III Международном IUTAM - симпозиуме но ламинарно-турбулентному переходу (г. Тулуза, Франция, 1989 г.), III Международном Конгрессе но механике жидкости (г. Каир, Египет, 1990 г.), VI и VII школе-семинаре "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости" (г. Москва,1988, 1990 гг.), Международном семинаре по проблемам моделирования в аэродинамических трубах (г. Новосибирск, 1988 г.), Всесоюзном семинаре по гидродинамической устойчивости и турбулентности (г. Новосибирск, 1989 г.), V Всесоюзной школе по методам аэрофизических исследований (г. Абакан, 1989 г.), I Международной конференции по экспериментальной механике жидкости (г.Чэнду, Китай,1991 г.), Конференции отделения динамики жидкости американского физического общества (г. Альбукерк (Нью-Мексико), США, 1993 г.), VIII Европейской конференции по снижению сопротивления трения (г. Лозанна, Швейцария, 1993 г.), I Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей" (г. Новосибирск, 1993 г.), IV Международном IUTAM - симпозиуме по ламинарно-турбулентному переходу (г.Сендай,Япония,1994г.), Международной конференции по методам аэрофизических исследований (г. Новосибирск, 1994 г.), IX Европейской конференции по снижению сопротивления трения (г. Равелло, Италия, 1995 г.), Коллоквиуме по переходным пограничным слоям в аэронавтике (г. Амстердам, Голландия, 1995 г.), II Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей" (г. Новосибирск, 1995 г.), III Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей" (г.Новосибирск,1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, которые представлены в [1-49].
Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 272 наименований. Содержит 437 страниц, и том числе 204 рисунка.
