Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 7
1.1. Влияние повышенной внешнейтурбулентности на отрывные течения 7
1.2. Влияние акустического поля и возбуждение продольных структур в локальных обласях отрыва 9
1.3. Возникновение продольных структур в пограничном слое при повышенной внешней турбулентности 12
Глава П. Методы исследований 18
2.1. Аэродинамические установки 18
2.2. Экспериментальные модели 18
2.3. Методики исследований 20
2.3.1. Жидкокристаллическая визуализация и термография 20
2.3.2. Термоанемометрические измерения 24
Глава III. Отрыв потока на крыловом профиле малого удлинения при повышенной внешней турбулентности 29
3.1. Условия проведения эксперимента 29
3.2. Пространственная структура отрывного и присоединенного течения 29
3.3. Влияние повышенной внешней турбулентности на структуру течений 31
3.4. Выводы к главе III 33
Глава IV. Акустическое возбуждение продольных структур в областях отрыва па крыловом профиле 45
4.1. Условия проведения эксперимента 45
4.2. Большой угол атаки 46
4.3. Мылый угол атаки 50
4.4. Термоанемометрическая визуализация 52
4.5. Выводы к главе IV 56
Глава V. Влияние повышенной внешней турбулентности на пространственную структуру пристенных течений с благоприятным градиентом давления 78
5.1. Влияние повышенной внешнейтурбулентности на структуру пограничного слоя на клине 78
5.2. Влияние повышенной внешней турбулентности на структуру пограничного слоя на пластине с затупленной передней кромкой при благоприятном градиенте давления 80
5.3. Оценка поперечных масштабов возмущений, генерируемых турбулизирующей сеткой 85
5.4. Возможные физические механизмы возникновения продольных структур 87
5.5. Выводы к главе V 89
Заключение 111
Список литературы
- Влияние акустического поля и возбуждение продольных структур в локальных обласях отрыва
- Жидкокристаллическая визуализация и термография
- Влияние повышенной внешней турбулентности на структуру течений
- Термоанемометрическая визуализация
Введение к работе
Актуальность темы. В современном турбостроении наблюдается тенденция к снижению количества решеток лопаток компрессоров и турбин с целью снижения массы и стоимости всей установки, и соответственно к увеличению аэродинамической и тепловой нагруженности каждой решетки. Один из принципов, принятых при проектировании высоконагруженных профилей заключается в том, чтобы допускать состояние пограничного слоя на стороне разрежения лопаток близким к отрывному. Это значит, что ошибки, допущенные в проектировании, могут привести к значительному расхождению характеристик. Соответственно, возрастают требования к точности расчета пограничного слоя. Кроме того, структура пограничного слоя в значительной мере определяет распределение тепловых потоков, точный расчет которых особенно актуален при проектировании охлаждаемых лопаток турбин, работающих в условиях высоких температур. Вместе с тем имеющаяся информация о физических механизмах, ответственных за формирование структуры пограничного слоя, очень ограничена.
Качественно состояния пограничного слоя, имеющие место при обтекании лопаток турбомашин аналогичны состояниям, возникающим при обтекании крыла самолета. На подветренной стороне лопатки, где градиент давления неблагоприятный возникает отрывной пузырь и переход к турбулентности. Также при определенных условиях может возникать срыв потока, что приводит к таким крайне нежелательным явлениям в работе компрессоров, как вращающийся срыв и помпаж [1]. На наветренной стороне лопатки градиент давления благоприятный, соответственно формируется устойчивый пограничный слой, в котором, однако, возможно возникновение продольных структур, изменяющих распределение тепловых потоков [2]. Существенной особенностью задачи обтекания лопаток турбомашин является высокий уровень возмущений различной природы, проникающих в
пограничный слой. Обтекание лопаток турбин и компрессоров происходит при высокой степени турбулентности потока [3, 1]. Кроме того, внутри турбомашин высок уровень акустических возмущений, в спектре которых наряду с широкополосным шумом присутствуют выделенные частоты, определяемые частотой следования лопаток и ее гармониками. Актуальность темы диссертации обусловлена слабой изученностью механизмов влияния внешних возмущений различной природы на структуру пристенных градиентных течений, часто встречающихся на практике.
Целью работы является изучение методами саже-масляной, жидкокристаллической визуализации и термоанемометрии влияния повышенной степени турбулентности набегающего потока, создаваемой сеткой, и гармонических акустических возмущений на пространственную структуру пристенных течений с неблагоприятным и благоприятным градиентом давления. При этом изучалось:
а) влияние сеточной турбулентности на крупномасштабные вихри,
возникающие в области срыва и на структуру присоединенного течения с
ламинарным отрывным пузырем на прямом крыле малого удлинения.
б) механизм акустического возбуждения продольных структур при
переходе к турбулентности в локальных областях отрыва на прямом крыле.
в) структура потока, формируемого турбулизирующими сетками,
обычно применяемыми в аэродинамическом эксперименте.
г) общие характеристики возникновения и развития стационарных
продольных структур в пограничных слоях с благоприятным градиентом
давления при повышенной внешней турбулентности.
Научная новизна
-Впервые были получены качественные данные о влиянии повышенной внешней турбулентности на трехмерные вихревые структуры в срывном течении. Показано, что повышенная внешняя турбулентность делает срывной режим обтекания гистерезисным.
-впервые выполнена термоанемометрическая визуализация трехмерного искажения двумерной волны неустойчивости с образованием продольных структур в локальной области отрыва на прямом крыле.
-показано, что проволочные сетки, применяемые в аэродинамических экспериментах для увеличения степени турбулентности потока нельзя рассматривать как генераторы однородной турбулентности. Показано, что пограничный слой, возникающий при обтекании тел чувствителен к пространственной неоднородности потока, турбулизированного сеткой.
-впервые изучен процесс формирования стационарных продольных структур в пристенных течениях с благоприятным градиентом давления. Показано, что вблизи передней кромки пространственная структура пограничного слоя определяется пространственной структурой неоднородностей набегающего потока, а ниже по потоку выделяются продольные структуры, являющиеся наиболее быстрорастущими в данном пограничном слое.
Научная и практическая ценность. Полученные в работе данные о физических явлениях, определяющих структуру пограничного слоя с градиентом давления при повышенном уровне внешней турбулентности и акустических колебаний, могут быть использованы для верификации теоретических подходов, совершенствования инженерных методов расчета трения и теплообмена, а также для разработки новых методов управления пограничным слоем в различных технических устройствах.
На защиту выносятся
-результаты визуализационных термоанемометрических исследований влияния повышенной внешней турбулентности на крупномасштабные вихревые структуры в срывном течении.
-результаты визуализационных исследований влияния повышенной внешней турбулентности на структуру присоединенного течения с ламинарным отрывным пузырем.
-результаты визуализациоиных и термоанемометрических
исследований характеристик и процесса формирования продольных структур в ламинарном отрывном пузыре на прямых крыльях.
-результаты термоанемометрических исследований пространственной структуры потока за проволочной сеткой и ее эволюции вниз по потоку.
-результаты визуализациоиных и термоанемометрических исследований процесса формирования стационарных продольных структур в пограничном слое с благоприятным градиентом давления под воздействием неоднородностей набегающего потока.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского, Института механики МГУ и представлялись на следующих конференциях: Международная конференция "Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 2001, 2004, 2005), Международная конференция по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2002, 2004), Всероссийская конференция молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 2002), Азиатский симпозиум по визуализации (Пусан, Корея, 2001), Международная тихоокеанская конференция по аэрокосмической науке и технологии (Гаосюн, Тайвань, 2001), Международная школа-семинар "Модели и методы аэродинамики" (Евпатория, 2003), Всероссийская конференция молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии" (Новосибирск, 2003, 2005).
Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 17 работах, представленных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включая публикации
автора по теме диссертации из 114 наименований, изложена на 122 страницах, включая 73 рисунка.
В первой главе выполнен обзор литературы по проблеме влияния внешней турбулентности и акустических возмущений на пограничные слои.
Во второй главе рассматриваются аэродинамические установки, используемые модели и методики исследований.
Третья глава посвящена изучению влияния повышенной степени турбулентности набегающего потока на пространственную структуру течений с неблагоприятным градиентом давления на крыле малого удлинения, а именно на срыв потока с передней кромки и присоединенное течение с ламинарным отрывным пузырем.
В четвертой главе рассматривается явление акустического возбуждения стационарных продольных структур в локальных областях отрыва на прямом крыле, т. е. при неблагоприятном градиенте давления.
Пятая глава посвящена изучению влияния повышенной степени турбулентности набегающего потока на структуру пограничных слоев с благоприятным градиентом давления.
Влияние акустического поля и возбуждение продольных структур в локальных обласях отрыва
В литературе, в основном, представлены два аспекта проблемы влияния повышенной внешней турбулентности на обтекание тел. Во-первых, исследуется ламинарно-турбулентный переход при повышенной степени турбулентности, главным образом, в безградиентном течении на плоской пластине. Многочисленные эксперименты подтверждают существенное влияние турбулентности свободного потока на ламинарно-турбулентный переход. Эксперименты, начиная с Клебанова [42] показывают, что при повышенной степени турбулентности набегающего потока в пограничном слое возникают продольные структуры в виде чередующихся полос повышенной и пониженной средней скорости. Визуализация структуры пограничного слоя при среднем и высоком уровне турбулентности на плоской пластине выполнена в работах [43-45], на крыле в [46]. Наличие продольных структур может приводить к байпассному переходу через механизм вторичной неустойчивости. Физическим механизмом, позволяющим объяснить процесс возникновения продольных структур в подобных течениях при повышенной внешней турбулентности, является механизм немодального алгебраического роста. Математически это явление объясняется неортогональностью мод, соответствующих уравнениям Орра-Зоммерфельда и Сквайра. В результате суперпозиция неортогональных собственных векторов может приводить к временному росту суммарного возмущения, даже если каждая мода в отдельности затухает. Имеется ряд численных работ, посвященных поиску оптимальных возмущений в различных течениях, т. е. возмущений, энергия которых максимально возрастает в пространственном или временном подходе [47-50]. В том числе в [47, 49] рассматривались градиентные течения Фолкнера-Скэн. Оптимальными возмущениями являются продольные вихри с определенным поперечным волновым числом Р, эволюционирующие в продольные стрики повышенной и пониженной скорости с нулевыми поперечными компонентами скорости.
Также многими авторами изучается влияние турбулентности набегающего потока на теплообмен вблизи линии растекания при обтекании цилиндра. Данная конфигурация интересна тем, что моделирует практически важное течение около передней кромки турбинных лопаток, где теплообмен максимален. Результаты теоретических и экспериментальных исследований [51-53, 2] показывают, что существует большая зависимость напряжения трения и теплообмена вблизи критической точки при обтекании затупленного тела от характеристик турбулентности набегающего потока.
Известно также о возникновении периодической в трансверсальном направлении системы продольных структур при обтекании тел потоком с повышенной степенью турбулентности [53, 54, 2]. Одним из механизмов возбуждения возмущений в таких течениях может быть неустойчивость центробежного типа. В связи с тем, что линии тока вблизи передней кромки затупленного тела сильно искривлены, течение в этой области может быть подвержено центробежной неустойчивости, аналогично течению вблизи вогнутой стенки. В работе [55] была показана возможность этого сценария генерации возмущений вблизи передней кромки затупленного тела. Однако эти результаты были пересмотрены в [56], где показано, что течение устойчиво к бесконечно малым возмущениям. В [57] была рассмотрена устойчивость двумерного неортогонального течения вблизи линии растекания к возмущениям типа вихрей Гертлера. Эта конфигурация моделирует обтекание клина или пластины под отрицательным углом атаки вблизи линии растекания. Авторами было показано, что данное течение также устойчиво к бесконечно малым возмущениям.
Другой подход к объяснению возникновения продольных структур в точке растекания-это теория растяжения завихренности. Предложенная в [51] и развитая в [58] она была призвана объяснить известный эффект влияния малого изменения степени турбулентности набегающего потока на теплообмен вблизи линии торможения при обтекании цилиндра и на поверхности пластины при благоприятном градиенте давления. Теория дает
Иллюстрация механизма растяжения завихренности объяснение преобразования турбулентности в течении вблизи критической точки при обтекании затупленного тела и влияние её на пограничный слой. Предполагается, что турбулентные вихревые нити из набегающего потока, имеющие ориентацию паралельно линиям тока в критической точке, попадая в течение вблизи тела, претерпевают растяжение, и, соответственно, происходит усиление внешней завихренности, приводящее к значительным эффектам в пограничном слое (рис. 1.1). В соответствии с этой теорией существует нейтральная длина волны Х& такая, что завихренность возмущения с характерным масштабом Х Х , возрастает по амплитуде быстрее, чем диссипирует под действием вязкости. Для возмущений же с масштабами X KQ , вязкая диссипация преобладает над усилением завихренности вихревых нитей. Для течения Хименца, которое аппроксимирует течение вблизи линии растекания Xtft2,68. В соответствии с этой теорией влияние на пограничный слой вблизи критической точки оказывают как случайные турбулентные возмущения, так и стационарные неоднородности набегающего потока. Более подробное численное изучение влияния масштаба периодических по пространству возмущений скорости набегающего потока выполнено в [59].
Жидкокристаллическая визуализация и термография
Согласно [77] для измерения температуры может быть использована модель, в которой температура образца определяет только цветовой тон получаемого изображения. Построение полей температур по цветному изображению термоиндикатора производится с использованием данных предварительной тарировки используемого термоиндикаторного покрытия, представляющей собой зависимость цветового тона от температуры. Тарировка производилась с использованием термостатированного медного диска с наклеенным на его поверхность жидкокристаллическим образцом. Во время тарировки в условиях освещения и наблюдения, близких к условиям в аэродинамическом эксперименте каждому значению температуры жидкокристаллического образца ставилось в соответствие значение цветового тона Ы. Согласно [77] в данном методе измерения температуры может присутствовать значительная систематическая погрешность, достигающая 30% от рабочего температурного диапазона используемого термоиндикатора. В данной работе панорамные изображения поля температур использовались, в основном, в качестве визуализации. Однако в главе 5 приведены оценки поперечных масштабов возмущений, полученные с помощью дискретного преобразования Фурье поперечного распределения колебания температуры. Погрешность измерения отклонения температуры от среднего значения в данных экспериментов обусловлена, в основном, угловой зависимостью длины волны селективного отражения жидких кристаллов, могут быть оценены на основе результатов методических исследований [77], величиной ±5% диапазона работы термоиндикатора, т. е. ±0,15С для индикатора с рабочим диапазоном 3СС.
В большей части экспериментов применялись жидкокристаллические покрытия с рабочим диапазоном температур 30-33С и 28-34С, при этом температура набегающего потока составляла 20-22С. В этом случае для получения визуализационных картин требуется подогрев поверхности модели до рабочих температур. Для этого использовались два метода. В экспериментах со срывом потока в открытой рабочей части аэродинамической трубы МТ-324, изложенных в главе 3 использовался метод постоянного теплового потока. Большая часть поверхности модели №1 покрыта электрическим нагревателем, изготовленным из стальной фольги толщиной 5 мкм. (рис. 2.5). Для получения равномерного распределения плотности электрического тока и, следовательно, нагрева подвод питания осуществлялся через медные шины, сопротивление которых мало по сравнению с сопротивлением нагревателя. Подводимая мощность, необходимая для нагрева модели до рабочих температур в выбранных режимах обтекания составляла 500-700 Вт/м . В экспериментах, где требовалось определение характерных масштабов возникающих в пограничном слое продольных структур по температурному полю на поверхности модели, для исключения нежелательных тепловых потоков внутри металлического электронагревателя применялся метод радиационного нагрева. Схема проведения таких экспериментов в установке Т-324 приведена на рис. 2.6. В качестве источника тепла использовались две галогеновые лампы суммарной мощностью 1000 Вт, размещенные внутри рабочей части на подставках. Питание ламп осуществлялось регулируемым источником напряжения. Лампы одновременно являлись источником света для осуществления видео- и фотосъемки, которая осуществлялась через прозрачные окна рабочей части аэродинамической трубы. По аналогичной схеме выполнялась визуализация и в установке МТ-324.
Эксперименты, выполненные в рамках диссертационной работы показали, что применение жидкокристаллических термоиндикаторов с рабочим диапазоном 3-6С является эффективным для выявления характерных особенностей течений и получения дополнительных данных. Результаты, полученные с помощью жидкокристаллической визуализации, не противоречат и хорошо согласуются с результатами, полученными с использованием других, традиционных методов исследований. В частности, жидкокристаллическая визуализация достаточно хорошо передает очертания вихревой зоны при срыве потока с передней кромки на крыле малого удлинения (рис. 3.3), а также положение отрывного пузыря вблизи передней кромки (рис. 3.4) в исследованиях, описанных в главе III. Также, в исследованиях главы V, существование стационарных продольных структур в пограничном слое с благоприятным градиентом давления при повышенной внешней турбулентности фиксируется как методом жидкокристаллической визуализации, так и термоанемометрическими измерениями (Рис. 5.4).
Несмотря на то, что быстродействие данной реализации метода жидкокристаллической термографии, ограниченное тепловой инерцией моделей, очень низко (т. е. фактически метод является стационарным), тем не менее, он может быть эффективным и при изучении нестационарных периодических процессов в пристенных течениях. В главе 4 визуализируется трехмерная структура течения при ламинарно-турбулентном переходе в отрывном пузыре (например рис. 4.6). Возникающие при этом структуры, являющиеся аналогом / -структур, нестационарные. Однако, поскольку этот процесс периодический, и формирование структур из двумерной волны происходит в одном и том же месте, то тепловые следы от этих структур на визуализации проявляются в виде стационарных чередующихся продольных полос повышенной и пониженной температуры.
Влияние повышенной внешней турбулентности на структуру течений
Основная часть работы представляла собой исследование влияния высокого уровня внешней турбулентности на структуру пограничного слоя. На рис. 3.5 представлены результаты визуализации отрывного течения при высокой а) и низкой б) степени внешней турбулентности, различающиеся между собой. Угол атаки составлял 27, скорость набегающего потока 12 м/с. При высокой внешней турбулентности размер застойных областей в фокусах крупномасштабных вихрей в зоне отрыва уменьшился и изменили свое расположение, в целом изменились очертания вихревой зоны. Вблизи передней кромки возникла узкая, вытянутая по размаху застойная область. Картины течения, полученные с помощью жидких кристаллов и саже-масляной пленки различаются в деталях. Таюке в ходе эксперимента было обнаружено, что помимо срыва с передней кромки при данном угле атаки, скорости и высокой внешней турбулентности возможно присоединенное течение, что невозможно при низкой турбулентности набегающего потока. Соответствующая визуализация приведена на рис. 3.6. Каждое из двух течений может быть установлено искусственно, например путем введения препятствий в поток, после удаления которых установленное течение сохраняется и может существовать сколько угодно долго. Таким образом, при повышении уровня внешней турбулентности режим обтекания стал гистерезисным.
На рис. 3.7 приведены результаты визуализации срывных течений при различных скоростях набегающего потока и двух степенях турбулентности. Видно, что при изменении скорости картина течения качественно не меняется. Высокая внешняя турбулентность оказывает также влияние на присоединенное течение при угле атаки 18 (рис 3.8). Главное отличие заключается в изменении формы отрывного пузыря вблизи передней кромки, который теперь виден как узкая горячая полоса постоянной толщины, т. е. становится более двумерным.
В следующей части работы была исследована структура течения при различных углах атшси от 0 до 27 и постоянной скорости 12 м/с при высокой внешней турбулентности. Картины течений изображены нарис. 3.9.
Начиная с угла 9 можно идентифицировать горячую область локального отрыва в передней части модели и следующую за ней более холодную область присоединения пограничного слоя с интенсивным перемешиванием. При увеличении угла атаки отрывной пузырь сужается и сдвигается ближе к передней кромке. Глобальный отрыв становится возможным начиная с некоторого критического утла атаки, заключенного между 21 и 24. Возможный отрыв турбулентного пограничного слоя в задней части модели при углах атаки меньше критического зафиксировать не удается, поскольку течение в этой области сильно возмущено концевыми вихрями. При углах атаки, меньших 9 высокотемпературная зона занимает значительную часть модели. Возможно, это происходит из-за более позднего перехода к турбулентности.
Картина течения при отрыве, полученная с помощью визуализации была дополнена термоанемометрическими измерениями амплитуды продольных пульсаций и профилей средней скорости течения над моделью. Кривые нарастания пульсаций показаны на рис. ЗЛО. Измерения проводились вдоль хорды по оси симметрии модели. Пульсации измерялись на такой высоте в сдвиговом слое, на которой средняя скорость равна половине от скорости набегающего потока, т. е. вдоль линии равных средних скоростей. Амплитуда пульсаций и сначала быстро возрастает вблизи передней кромки вследствие перехода от ламинарного течения к турбулентному, а после завершения перехода несколько уменьшается. Далее пульсации постепенно нарастают в области отрыва. В задней части модели, занимаемой концевыми вихрями, амплитуда пульсаций опять снижается. При высокой степени турбулентности набегающего потока переход к турбулентности завершается быстрее, т. е. ближе к передней кромке модели. В области отрыва амплитуда пульсаций примерно одинакова при низкой и высокой внешней турбулентности. Профили средней скорости, приведенные на рис. 3.11, показывают, что при высокой внешней турбулентности скорость возвратного течения возрастает примерно в два раза. Следует отметить, что на рис. 3.11 показана только величина модуля скорости, так как термоанемометр с однониточным датчиком не позволяет определить ее направление. В области срыва течение направлено против скорости внешнего потока, что подтверждено визуализацией с помощью шелковинок.
1. Показано, что применение жидкокристаллических термоиндикаторых покрытий может быть эффективным для изучения особенностей дозвуковых отрывных течений.
2. Показано, что структура отрывного течения на крыле малого удлинения, установленного под закритическим углом атаки зависит от уровня турбулентности набегающего потока. При увеличении внешней турбулентности изменяются размеры крупномасштабных вихрей, существующих в области отрыва, и значительно возрастает скорость возвратного течения. Вблизи передней кромки появляется узкая, вытянутая по размаху застойная зона.
3. При повышенной внешней турбулентности становится возможным необратимое устранение срыва, когда течение остается присоединенным после прекращения управляющего воздействия, присоединяющего поток.
4. Увеличение уровня внешней турбулентности оказывает влияние на структуру присоединенного течения с отрывным пузырем при докритическом угле атаки, проявляющееся в изменении формы отрывного пузыря, который становится более двумерным.
Термоанемометрическая визуализация
Вторая серия экспериментов проводилась при угле атаки крыла 5,6 и скорости набегающего потока 10 м/с (Re=l,5 105). В этом эксперименте также использовалась модель №2. В данном случае течение является практически безотрывным, как следует из серии профилей средней скорости, приведенной на рис. 4.11. Изменение скорости внешнего течения (Рис. 4.12) в этом случае также соответствует неблагоприятному градиенту давления в большей части изучаемой области. Профиль средней скорости имеет точку перегиба, однако, зона возвратного течения имеет незначительную толщину. Позади пузыря в области присоединения формируется турбулентный пограничный слой (рис. 4.11, 4.13). Исследование спектра пульсаций в оторвавшемся пограничном слое (рис. 4.14) показывает, что наиболее неустойчивые моды данного течения заключены в диапазоне от 300 до 600 Гц. В данном случае частоте моды, имеющей в точке измерения наибольшую амплитуду, соответствует число Струхаля, вычисленное по толщине потери импульса Ste=0.016, которое находится в диапазоне волн, имеющих наибольшие инкременты. Т. е. рассматриваемые колебания являются результатом неустойчивости слоя смешения.
Визуализация структуры пристенного течения (рис. 4.17) показывает, что в области х/С 0,65, соответствующей на кривой нарастания возмущений (рис. 4.16) областям завершающей стадии ламинарно-турбулентного перехода и турбулентного пограничного слоя, возникает система продольных структур. Эти структуры проявляются в виде продольных чередующихся полос повышенной и пониженной температуры. При этом пространственное расположение структур на поверхности модели не изменяется в течение эксперимента. Таким образом, главное отличие данного режима обтекания от случая большого угла атаки является то, что продольные структуры возникают и без наложения внешних возмущений.
Для более подробного изучения данного явления были проведены эксперименты с введением контролируемых акустических возмущений аналогично экспериментам с отрывным пузырем на плоской пластине [34].
По данным визуализации при наложении синусоидальных акустических возмущений с частотой, лежащей внутри диапазона неустойчивости, структура течения меняется. По сравнению с естественным случаем изменяется расположение и характерный поперечный масштаб продольных структур. Визуализирумая область возникновения продольных структур смещается выше по потоку, что скорее всего связано с перемещением точки присоединения течения, поскольку задняя граница отрывного пузыря очень чувствительна к уровню внешних возмущений [88]. При задании частоты возмущений выше верхней границы диапазона неустойчивости, визуализационная картина структуры течения совпадает с картиной в невозмущенном случае. Очевидно, что формирование продольных структур в области присоединения оторвавшегося пограничного слоя связано с развитием волн неустойчивости в слое смешения.
Изучение развития волн неустойчивости проводилось в случае акустического возмущения течения при частоте звука, равной частоте наиболее неустойчивой моды 525 Гц. Амплитудные спектры пульсаций при акустическом возбуждении фиксируют появление второй и третьей гармоник (Рис 4.13). В этом случае заполнение сплошного спектра при ламинарно-турбулентном переходе происходит равномерно, без выраженного субгармонического пакета. Это соответствует случаю большого уровня акустических возмущений [84]. Кроме того, в этом случае происходит подавление уровня турбулентных пульсаций по сравнению с естественным случаем. Это явление известно для струй [89]. На рис 4.18. представлен график нарастания фазы, определенной на расстоянии от стенки, соответствующем наибольшему локальному максимуму на профиле среднеквадратичных пульсаций, соответствующем точке перегиба течения, а на рис. 4.19 - нормальный фазовый профиль возбуждаемой волны неустойчивости. График нарастания фазы демонстрирует небольшое отклонение от прямой. Фазовая скорость волны, определяемая как с = 2т$— Ах оказывается примерно постоянной и при х/С=0,5. составляет c=0,47Uc. Это соответствует длине волны неустойчивости 11,3 мм. Так же, как и в предыдущем случае при угле атаки 12 характерный поперечный масштаб продольных структур (14,3 мм), определяемый с помощью преобразования Фурье из поперечного распределения средней скорости в области турбулентного пограничного слоя (рис. 4.20, 4.21), оказывается величиной, сравнимой с длиной возбуждаемой волны неустойчивости.
По-видимому, возникновение продольных структур в областях отрыва — это явление, аналогичное образованию .-структур вследствие трехмерного искажения волны Толлмина-Шлихтинга на нелинейной стадии перехода [42], либо вызванное неоднородностями течения. В этом случае, очевидно, характерный поперечный масштаб образующихся продольных вихревых структур должен соответствовать длине первичной волны.
