Экспериментальное исследование условий возникновения неустойчивого пограничного слоя жидкости и связанных с ним капиллярных эффектов Данилейко, Владимир Иванович

Введение к работе

Актуальность таш. Объяснение причины ламинарно-турбулентного перехода в потоке жидкости, связанного с процессами, протекающими в пограничном слое жидкости, до настоящего времени остается одной из нерешенных задач гидродинамики. Эта проблема давно привлекает к себе пристальное внимание многих исследователей в виду ее большого значения как в выявлении основных фізических закономерностей, связанных с переходом, так и в обширном практическом приложении.

К настоящему времени установлено, что лереход пограничного слоя в турбулентное состояние, определяющий режим течения в объеме жидкости, является сложным процессом, который можно представить в виде нескольких стадий, соответствующих качественно различным явлениям, происходящим в неустойчивом пограничном слое.

Это, прежде всего, возникновение собственных колебаний пограничного слоя в виде поперечных волн в определенных v его частях. Затем следует этап линейного развития волн неустойчивости, на котором они затухают, если появляются в устойчивой докритической области и, наоборот, нарастают в неустойчивой области пограничного слоя.

Линейное развитие возмущений продолжается до определенного уровня, после которого вступают в действие законы нелинейного развития, приводящие к усложнению взаимодействия - волн,появлению перемежаемости гармоник. В результате появляется многослойность структуры колебаний", формируются трехмерности.

Дальнейшее развитие перехода характеризуется появлением "вспышек" интенсивных пульсаций, приводящих к локальным

турбулентным образованиям, хаотически возникающим как в пространстве, так и во времени, и в итоге, к полному разрушению ламинарного режима с переходом к развитой турбулентности.

В настоящее время интенсивно изучается вопрос о влиянии внешних, искусственно создаваемых, в том числе и периодических источников, на возбуждение волн неустойчивости в пограничном слое, тгсно связанных с общей проблемой турбу-лиэации обтекающего потока.

Характерной особенностью всех исследований по названной проблеме является стремление определять степень влияния внешних искусственных возмущений на состояние пограничного слоя в потоке жидкости. Но сам поток, в силу вязкого трения, может являтся источником неконтролируемых возмущений пограничного слоя, которые, накладываясь на искусственно создаваемые, могут значительно искажать эффект воздействие на пограничный слой. Поэтому исключение из эксперимента первичного потока при искусственно создаваемых возмущениях может способствовать очищению последнего от неконтролируемых воздействий.

Несмотря на достигнутые успехи в изучении процесса перехода, еще многие стороны этого явления требуют дальнейшего изучения. Не до конца еще исследован механизм преобразования малых внешних возмущений в поперечные волны, ответственные за разрушение ламинарного режима течения и, в частности, за преде пом известного остается механизм возбуждения колебаний пограничного слоя под действием вибрации обтекаемой поверхности. Отсутствуют также количественные '"соотношения,

описывающие'процесе перехода.Необходимость исследования перечисленных вопросов определяет важность,актуальность,научную и практическую ценность проделанной работы.

Целями работы являются;

-исследование механизма образовали неустойчивого состояния пограничного слоя и обусловленных этим состоянием различных капиллярных эффектов;

-выявление характерных параметров,определяющих порог неустойчивости;

-установление связи между этими параметрами,поддающимися экспериментальной проверке;

-получение количественных соотношений между характеристиками порога неустойчивости:динамическим воздействием на жидкость и ее свойствами.

-разработка новой методики исследования условий,при которых пограничный слой жидкости,подвергающийся периодическим воздействиям,теряет устойчивость.

Научная нові'зна_т Экспериментально установлен факт наличия пороговой частоты неустойчивости при вибрации цилиндра.т.е.такой частоты,которая является границей между устойчивым и неустойчивым состояниями пограничного слоя жидкости*на осциллирующем цилиндре. Установлено,что при пороговой частоте пограничный слой резко расширяется и в нем происходит смена механизма передачи энергии колебания от цилиндра окружающей жидкости.

Принципиально новой является методика исследования пограничного слоя - непрерывное визуальное наблюдение за состоянием жидкости, в которую частично погружен вертикально расположенный осциллирующий цилиндр.В результате становится хорошо видимой вся совокупность процессов,обычно возникающих в полости за плохо обтека-

4 емым телом.

Конечная формула,полученная Рэлеем для определения частоты осцилляции жидкого цилиндра,преобразована для случая колебаний поверхности жидкости в воронке вокруг осциллирующего цилиндра при неустойчивом пограничном слое.Это позволило получить количественное соотношение между параметрами,определяющими порог неустойчивости пограничного слоя для маловязких жидкостей.

Эмпирически найдена количественная зависимость пороговой частоты неустойчивости от вязкости жидкости.

Вскрыты капиллярные эффекты как на поверхности жидкости,так и на поверхности осциллирующего твердого тела,обусловленные возрастанием поверхностного натяжения и смачиваемости в условиях неустойчивого пограничного слоя.

Практическая ценность.Результаты исследований могут найти применение при разработке различных технологических процессов,связанных с транспортировкой жидкости по трубопроводам,при разработке вибрационного метода покрытия твердых поверхностей жидкими пленками, вибрационного получения аэрозолей,вибрационного разделения химически несвязанных и не смешивающихся жидкостей,для разработки оптимального режима работы двигателя внутреннего сгорания и т.п.

Количественное соотношение между параметрами порога неустой- чивости пограничного слоя жидкости на осциллирующем цилиндре может быть положено в основу, лабораторного метода определения как ' поверхностного натяжения,так и вязкости жидкости.

Сама методика исследования прграничного слоя может быть использована для дальнейшего изучения явлений,связанных с неустой-- чквым состоянием пограничного слоя.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы содержатся в 9-ти печатных работах.

Апробация работы. Результаты исследований, лежащие в основе диссертационной работы, неоднократно обсуждались на научно-практических конференциях в Кызылском педагогическом институте в 1984 - 1991 гг., на научных конференциях МІіУ им.Н.К.Крупской в 1986 - 88 гг., на Всесоюзной школе-семинаре "Эргодические теории марковских процессов" /г.Кызыл, 1987/, в НИИ "Теоретической и прикладной механики" на научном семинаре, в НИИ "Гидродинамика" на научных семинарах в 1989 - 90 гг. в Академгородке г.Новосибирска, в НИИ "Гидромеханика" на научном семинаре / г. Киев, 1988/. В представленной работе автор защищает:

1. Предложенный метод возбуждения неустойчивого состояния в пограничном слое жидкости.

2. Количественное соотношение между параметрами пороги неустойчивости пограничного слоя жидкости на осциллирующем цилиндре.

3. Существование пороговой частоты неустойчивости пограничного слоя при'осцилляции цилиндра.

4. Смену механизма передачи энергии колебания от осциллирующего цилиндра окружающей жидкости на пороге неустойчивости пограничного слоя.

5. Связь капиллярных эффектов на поверхности жидкости с неустойчивым состоянием пограничного слоя в условиях эксперимента.

6. Возникновение эффекта, подобного возрастанию поверхностного натяжения жидкости и смачиваемости поверхности твердого тела, осциллирующего на частотах, превышающих пороговую частоту неустойчивости.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х разделов, заключения, приложения и списка литературы. Содержание работы изложено на 135-ти страницах, иллюстрировано 25-го рисунками и фотоснимками. Биолиография содержит 119 наименований.