WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Чернорай Валерий Геннадьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ НА ПРОФИЛЯХ ПРЯМОГО И СКОЛЬЗЯЩЕГО КРЫЛА И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ

01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН

Научный консультант: доктор физико-математических наук Грек Г.Р.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Бердников В.С.

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Семенов Н.В.

доктор физико-математических наук, профессор Исаев С.А.

Ведущая организация: Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) (г. Жуковский)

Защита состоится " 25 " ноября 2011 г. в "___" час на заседании диссертационного совета Д.003.035.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан "____" _____________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук И.М. Засыпкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблеме перехода ламинарных сдвиговых течений в турбулентное состояние посвящено большое количество, как экспериментальных, так и теоретических исследований. Этот вопрос вызывает интерес исследователей уже довольно длительное время по многим причинам. С фундаментальной точки зрения остаётся нерешенной важная проблема теоретического описания турбулентности, которая тесно связана с проблемой описания процесса перехода ламинарных течений в турбулентное состояние. Линейная теория устойчивости и восприимчивости правильно описывает начальные стадии развития возмущений в процессе ламинарнотурбулентного перехода. Процессы нелинейного развития, нелинейного взаимодействия и разрушения возмущений в настоящее время мало изучены для течений прямого и скользящего крыльев с неблагоприятным градиентом давления. Успешное развитие теории и численных методов немыслимо без их верификации, путем сопоставления с экспериментальными результатами. Такое взаимодействие, в частности, обеспечивает развитие инженерных методов расчёта положения перехода.

Говоря о прикладном значении исследований проблемы возникновения турбулентности, необходимо выделить задачи конструирования авиационной и космической техники. Летные качества воздушных и космических аппаратов в значительной степени зависят от характера течения в пограничных слоях, формирующихся на обтекаемых поверхностях. Важной задачей в данном случае является создание эффективных методов предсказания положения перехода к турбулентности и управления им, что, в свою очередь, в значительной степени влияет на возникновение отрывных явлений, на коэффициенты сопротивления, подъемной силы, теплопередачи и т.п.

Исследуемые в работе проблемы перехода к турбулентности, а именно развитие двумерных пространственно-модулированных волн неустойчивости, трехмерных волновых цугов от точечного источника, локализованных в пространстве и во времени непериодических возмущений от вибраций поверхности, их линейное развитие и нелинейное взаимодействие до сих пор являются слабо изученными для пограничных слоев с неблагоприятным градиентом давления и трехмерного течения скользящего крыла. K-режим ламинарно-турбулентного перехода на скользящем крыле ранее не исследовался. Процесс стохастизации течений с -вихрями через механизм локальной высокочастотной вторичной неустойчивости до этого был мало изучен, как и механизм нелинейной стадии синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур. Исследование указанных задач общей проблемы ламинарнотурбулентного перехода представляет большой интерес ввиду её большого фундаментального и прикладного значения.

Во многих реальных ситуациях (например, на крыльях планеров и самолётов) переход часто происходит именно в области пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления. При создании современных инженерных методов расчёта положения перехода используются теории устойчивости трёхмерного пограничного слоя, теории нелинейного развития возмущений в пограничном слое, а также методы прямого численного моделирования, которые нуждаются в верификации экспериментальными данными. До недавнего времени соответствующие эксперименты, содержащие количественную информацию о линейном и нелинейном развитии возмущений, возникновении и развитии продольных структур в трехмерном пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления, практически отсутствовали. Данная экспериментальная работа в значительной степени восполняет этот пробел в связи с тем, что разработанная автором диссертации методика пространственно-временной термоанемометрической визуализации течений позволила получить как качественную, так и количественную информацию о пространственной структуре и характеристиках развития возмущений на нелинейной стадии их эволюции.

Цель работы. Цель настоящей работы состоит в получение экспериментальных данных по нелинейной неустойчивости пограничного слоя на профилях прямого и скользящего крыла для более детального понимания механизма данного процесса и, на основе его понимания, рассмотрения различных методов управления неустойчивостью с использованием современной методики пространственно-временной термоанемометрической визуализации течений. Она включает в себя следующие основные направления исследований:

а) K-режима ламинарно-турбулентного перехода в области неблагоприятного градиента давления прямого и скользящего крыльев;

б) развития двумерных пространственно-модулированных волн неустойчивости, трехмерных волновых цугов от точечного источника;

в) локализованных в пространстве и во времени непериодических возмущений генерируемых вибрациями поверхности, их линейное развитие и нелинейное взаимодействие;

г) процесса стохастизации течений с -вихрями через механизм их локальной высокочастотной вторичной неустойчивости;

д) синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур;

е) вторичной высокочастотной неустойчивости продольных вихрей в пограничном слое скользящего крыла;

ж) различных методов управления нелинейной стадией развития возмущений в пограничном слое.

Научная новизна. В работе впервые показано, что развитие -структур в K-режиме перехода в области неблагоприятного градиента давления на прямом крыле качественно идентично их развитию на плоской пластине, а ламинарно-турбулентный переход, вызванный волнами Толлмина – Шлихтинга (ТШ), на скользящем крыле приводит к образованию асимметричных -структур. Получены количественные экспериментальные данные о развитии волновых цугов от точечного источника на прямом и скользящих крыльях 30° и 45°, включая линейную и нелинейную стадии, а также процесс возникновения турбулентности. Впервые найдено, что на прямом крыле в области неблагоприятного градиента давления непериодические возмущения от локализованного вибратора отличаются от таких же возмущений на плоской пластине, они представляют собой пару квазистационарных вихрей большой амплитуды и сопровождающих их трехмерных высокочастотных волновых пакетов. Впервые показано, что взаимодействие затухающей -структуры с высокочастотной волной приводит к нарастанию вторичного высокочастотного возмущения и образованию турбулентного пятна. Впервые установлено, что процесс нелинейного развития синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур в пограничном слое плоской пластины, прямого и скользящего крыла связан с образованием -структур и трансверсальным мультиплицированием как полосчатых структур, так и -структур.

Впервые показана возможность управления нелинейной стадией развития возмущений в области перехода с помощью элементов шероховатости, оребрения поверхности (риблеты), распределенного и локализованного отсоса.

Достоверность результатов обеспечена использованием в работе универсальных и отработанных методов экспериментального исследования, таких как: генерации в пограничном слое искусственных, контролируемых периодических и локализованных возмущений, вводимых как раздельно, так и вместе при условии сохранения фазовой информации, и изучении характеристик их развития и взаимодействия с помощью термоанемометрических измерений; повторяемостью результатов, полученных в опытах, проведенных в разное время и на различных аэродинамических установках. Результаты согласуются с опубликованными данными о характеристиках подобных течений и с результатами исследований явлений, аналогичных изучаемым в настоящей работе, в других течениях вязкого несжимаемого газа. Данные, полученные в различных разделах работы, дополняют друг друга и дают целостную, физически непротиворечивую картину изучаемого явления.

Научная и практическая ценность. Разработанная автором диссертации методика пространственно – временной термоанемометрической визуализации сложных течений дала возможность впервые получить в физическом эксперименте не только качественные, но и количественные данные о пространственной структуре и характеристиках развития вихревых возмущений в пограничном слое прямого и скользящего крыла на нелинейной стадии их эволюции (до сих пор такие данные были получены лишь в численных экспериментах). Данная методика может быть широко использована в различных исследовательских группах, занимающихся экспериментальными исследованиями ламинарно – турбулентного перехода и турбулентностью. Полученные в работе обширные количественные данные о характеристиках линейного и нелинейного развития пространственных волновых цугов на прямом и скользящих крыльях скольжения 30 и 45 градусов могут быть использованы (и уже используются) для верификации теоретических подходов и для создания более совершенных инженерных методов расчета положения перехода в пограничных слоях. Полученные данные имеют практический интерес для организаций и специалистов, занимающихся исследованием проблемы возникновения турбулентности и задачами расчёта положения перехода и управления ламинарным пограничным слоем.

На защиту выносится:

– разработанная автором диссертации методика пространственно-временной термоанемометрической визуализации сложных течений;

– результаты экспериментальных исследований по развитию -структур в Крежиме перехода в области неблагоприятного градиента давления на прямом и скользящем крыльях;

– результаты экспериментального исследования вторичной высокочастотной неустойчивости -структур;

– результаты экспериментального исследования возникновения и развития непериодических возмущений большой амплитуды от локализованного вибратора;

– результаты экспериментального исследования развития волновых цугов от точечного источника на прямом и скользящих крыльях 30° и 45° включая линейную стадию и процесс возникновения турбулентности;

– результаты экспериментального исследования вторичной высокочастотной неустойчивости продольных вихрей в пограничном слое скользящего крыла;

– результаты экспериментального исследования синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур;

– результаты экспериментальных исследований различных способов управления развитием возмущений на нелинейной стадии их развития.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН (Новосибирск), на VII и VIII Азиатском симпозиуме по визуализации (Сингапур, 2003 г.; Чангмай, Таиланд, 2005 г.); V и VI Европейской конференции по механике жидкости (Тулуза, Франция, 2003 г.; Стокгольм, Швеция, 2006 г.); VI и VII IUTAM Симпозиуме по ламинарно-турбулентному переходу (Бангалор, Индия, 2004 г.; Стокгольм, Швеция, 2009 г.), XII и XIII Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR, Новосибирск, Россия, 2004 г.; Новосибирск, Россия, 2007 г.); XXI и XXII Международном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Варшава, Польша, 2004 г.; Аделаида, Австралия, 2008 г.); Выставке и Конгрессе по газовым турбинам (Рино, США, 2005 г.; Барселона, Испания, 2006 г.; Монреаль, Канада, 2007 г.); Международной летней школе “Современные проблемы в механике” (Санкт-Петербург, Россия, 2005 г.);

V ERCOFTAC SIG 33 Workshop (Стокгольм, Швеция, 2006 г.), XII и XIII Азиатском конгрессе по механике жидкости (Тэджон, Корея, 2008 г.; Дакка, Бангладеш, 2010 г.);

VII Европейской конференции по механике жидкости (Манчестер, Великобритания, 2008 г.); III Европейской конференции по аэрокосмическим наукам (Версаль, Франция, 2009 г.); VIII Тихоокеанском симпозиуме по визуализации течений и обработке образов (Москва, Россия, 2011 г.).

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в публикациях, в том числе в 25 работах, опубликованных в реферируемых научных журналах (их список представлен ниже) и 33 публикациях научных конференций.

Личный вклад автора. При выполнении работ по теме диссертации автор лично разработал методику и систему автоматизированной пространственно – временной термоанемометрической визуализации течений, принимал непосредственное участие в постановке задач, подготовке экспериментов, проведении измерений, обработке и анализе экспериментальных данных, подготовке статей и докладов на конференциях. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 92 источников и 2 приложений.

Общий объем работы составляет 339 с, включая 169 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведенных исследований, сформулирована цель работы и указаны основные положения, которые выносятся на защиту, а также кратко изложено содержание диссертации.

Глава I. Состояние исследуемой проблемы В данной главе представлен краткий обзор и анализ основных работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям явления перехода к турбулентности.

В последние годы значительно возрос интерес к изучению локализованных продольных вихревых структур. Известно, что при исследованиях так называемого «естественного перехода» в большинстве сценариев в пограничном слое появляются турбулентные пятна, т.е. локализованные во времени и пространстве островки турбу лентности, развитие которых вниз по потоку приводит к образованию полностью турбулентного пограничного слоя. Необходимо отметить, что возникновение турбулентных пятен возможно лишь из возмущений, локализованных в пространстве и времени. Экспериментальные исследования в «естественных» и в модельных условиях показывают, что турбулентные пятна в большинстве случаев возникают в результате развития локализованных вихревых образований типа -структур, шпилькообразных вихрей и т.д. при низкой степени турбулентности набегающего потока. При повышенной степени турбулентности набегающего потока визуализация течения в пограничном слое указывает на существование в нем вытянутых вдоль потока и локализованных в трансверсальном направлении образований, идентифицируемых как полосчатые структуры (английский термин – «streaky structures»). Турбулентные пятна в условиях развития данных структур появляются в результате генерации и нарастания высокочастотных волновых пакетов на них.

С другой стороны, переход в пограничном слое в условиях образования стационарных вихрей типа вихрей Тейлора – Гертлера или «crossflow»-вихрей связан с процессом развития локализованных в пространстве образований и высокочастотных возмущений на них. Они также представляют собой массив со- или противовращающихся вихрей, которые, однако, в отличие от вышеописанных образований, являющихся сносимыми вдоль потока возмущениями конечных размеров, не сносятся им.

Таким образом, изучение механизмов возникновения, развития и трансформации локализованных возмущений в турбулентность является актуальным.

Если в случае низкой степени турбулентности набегающего потока продольные вихревые структуры, например -вихри, возникают в результате пространственной эволюции двумерных волн неустойчивости или пакетов волн, то появление полосчатых структур при повышенной степени турбулентности связано с взаимодействием сильно возмущенного набегающего потока с пограничным слоем. Тем не менее, возможно, механизмы, ответственные за их разрушение, имеют общий характер. В частности, было показано, что возникновение турбулентных пятен в течениях с продольными структурами (включая -вихри) может происходить через процесс порождения и развития нарастающего высокочастотного волнового пакета, который генерируется при взаимодействии продольных локализованных структур с другими возмущениями, в частности с волной ТШ.

Относительно исследований характеристик развития локализованных, детерминированных структур, предшествующих образованию турбулентных пятен, можно отметить следующие результаты. Установлено, что -вихрь представляет собой вихревую локализованную структуру, состоящую из двух противовращающихся вихрей («ноги» структуры), замыкающихся головкой на верхней границе пограничного слоя, скорость его распространения приближенно равна локальной средней скорости в пограничном слое. Такую же структуру имеют и так называемые подковообразные, шпилькообразные и др. вихри. Детальные исследования показали, что уединенная -структура может быть как затухающей, так и нарастающей вниз по потоку, трансформирующейся в турбулентное пятно. Установлено, что нарастание -структуры связано с развитием вторичного высокочастотного возмущения в области «ног» структуры. Показано, что частота вторичного возмущения уменьшается вследствие непрерывного растяжения -структуры при ее распространении вниз по потоку. Механизм вторичного высокочастотного разрушения -структур наблюдается и при их периодической генерации.

Первые количественные результаты в изучении продольных локализованных структур типа «streaky structures» получены в модельных экспериментах, где было проведено моделирование этих структур с помощью различных источников, генерирующих возмущения как на стенке модели, так и в набегающем потоке. Как показали детальные измерения интегральных характеристик развития возмущений, генерированных различными источниками, в пограничном слое реализовывались локализованные структуры с одними и теми же характеристиками развития: масштаб структур в трансверсальном направлении порядка толщины пограничного слоя сохраняется при их распространении вниз по потоку, т. е. они локализованы (не расплываются);

максимум интенсивности по нормали к стенке располагается значительно выше, чем для двумерной волны ТШ, в области середины пограничного слоя; скорость их распространения приблизительно равна местной средней скорости в пограничном слое, за счет чего скорость развития переднего фронта возмущения (который находится вблизи верхней границы погранслоя) достигает в пределе значения 0,8U0, а заднего (находящегося вблизи стенки) – 0,5U0, в силу чего возмущение непрерывно растягивается и деформируется вдоль потока; пиковая амплитуда возмущений уменьшается вниз по потоку, но вследствие своего продольного растяжения интегрально по продольной координате они могут и нарастать.

Для большинства задач о движении вязкой жидкости и заданных стационарных условиях должно, в принципе, существовать точное стационарное решение уравнений гидродинамики. Эти решения формально существуют при любых числах Рейнольдса.

Но не всякое решение уравнений движения, даже если оно является точным, может реально осуществиться в природе. Осуществляющиеся в природе движения должны не только удовлетворять гидродинамическим уравнениям, но должны еще быть устойчивыми: малые возмущения, раз возникнув, должны затухать со временем. Если же, напротив, неизбежно возникающие в потоке жидкости сколь угодно малые возмущения стремятся возрасти со временем, то движение неустойчиво и фактически существовать не может. Математическое исследование устойчивости движения по отношению к бесконечно малым возмущениям должно происходить по следующей схеме. На исследуемое стационарное решение (V, P) накладывается нестационарное малое возмущение (v’, p), которое должно быть определено таким образом, чтобы результирующее решение удовлетворяло уравнениям движения, начальным и граничным условиям. Уравнения для определения (v’, p), получаются подстановкой в уравнения Навье – Стокса и неразрывности. Причем известные функции V и P удовлетворяют стационарным уравнениям. Тогда, если считать жидкость несжимаемой, получим гидродинамические уравнения для возмущений. Несмотря на то, что эти линеаризованные уравнения движения справедливы лишь для малых возмущений, они важны для выяснения физических механизмов усиления конечных возмущений несжимаемой ньютоновской жидкости.

В последние 10–15 лет в теории устойчивости активно развивается направление, связанное с изучением начальных возмущений и свойств так называемой алгебраической неустойчивости сдвиговых потоков. Показано, что линейная невязкая теория гидродинамической устойчивости предсказывает во внутренних параллельных сдвиговых течениях возможность, по крайней мере, линейного роста кинетической энергии для возмущений с = 0. В таком трехмерном возмущении большая часть продольного импульса сохраняется, когда частичка жидкости смещается по нормали к стенке, если присутствует сдвиг средней скорости. Это дает вклад в продольную компоненту скорости возмущения. Поскольку в данном приближении пульсационная составляющая нормальной скорости v’ и «замороженное» среднее течение не зависят от времени, возмущение продольной компоненты скорости должно линейно возрастать по времени u’ = u’0 + v’Uyt. В физическом пространстве этот эффект проявляется как удлинение возмущения, сопровождающееся ростом его энергии. Оно сносится вниз по потоку с локальной средней скоростью U(y) и превращается в характерную «полосчатую структуру». Такой невязкий механизм нарастания энергии возмущения называют алгебраической неустойчивостью. Для двумерного возмущения ( = 0) решение уравнения Рэлея на v’ описывает всю задачу устойчивости, так как продольная компонента скорости определяется двумерным уравнением неразрывности. Если рассматривать вытянутые структуры, т.е. такие, у которых = 0, нормальная скорость будет оставаться практически постоянной, а изменение нормальной завихренности будет расти алгебраически быстро (линейно) со временем, а проявляться в виде удлиняющейся полоски с переменными большими и малыми возмущениями продольной компоненты скорости. Установлено, что этот результат можно также обобщить на возмущения, локализованные в продольном направлении, если рассматривать «обобщенные» компоненты скорости возмущения. В невязком приближении вторая компонента остается постоянной и если она не равна нулю, величина продольной компоненты растет линейно во времени. Однако, поскольку возмущение растягивается, рост обобщенной продольной компоненты скорости не означает, что будет увеличиваться максимальное значение реальной скорости u.

Применение невязкой линейной теории к анализу экспериментальных данных по развитию малых локализованных возмущений в пограничном слое плоской пластины показало, что начальный этап развития локализованного возмущения удовлетворительно описывается именно этим невязким механизмом. В соответствии с теорией и экспериментальными данными возмущение распадается на две составляющие – расплывающийся волновой пакет, представленный решениями уравнения Рэлея, колебания в котором распространяются со своими фазовыми скоростями, и на конвективную часть, распространяющуюся с местной средней скоростью и вытягивающуюся вниз по потоку, которая образует полоску сильного поперечного сдвига скорости. Ниже по потоку, однако, результаты эксперимента показывают естественную диссипацию возмущения вязкостью, что, очевидно, нельзя получить в рамках невязкого анализа.

Более детальный обзор состояния вопроса, касающегося исследований нелинейной неустойчивости двумерных и трехмерных сдвиговых течений и методов управления данной неустойчивостью будет сделан в каждой главе диссертации отдельно.

Глава II. Пространственно-временная термоанемометрическая визуализация сложных течений В главе описывается конструкция автоматизированного измерительного комплекса (рис. 2.1) и методика пространственно-временной термоанемометрической визуализации течения, разработанная автором диссертации и реализованная в процессе проведения экспериментальных исследований представленных в диссертации.

Автоматизированный измерительный комплекс состоит из прецизионного координатного устройства, сканирующего датчиком термоанемометра поток в трехмерном пространстве (xyz) с точностью измерения перемещений датчика до пяти микрон, термоанемометра постоянного сопротивления, измеряющего среднюю () и пульсационную (u’) составляющие продольной и поперечной компоненты скорости, и компьютера, управляющего работой координатного устройства и формирующего сигнал для генератора возмущений. Второй компьютер предназначен для сбора, сохранения и обработки информации, получаемой с термоанемометра, и выдачи команд на Рис. 2.1. Автоматизированный измерительный комплекс для пространственно-временной термоанемометрической визуализации течения.

а – схема измерений; b – фото координатного устройства автоматизированного комплекса с моделью крыла в аэродинамической трубе Чалмеровского технологического университета; с – фото автоматизированного измерительный комплекса, реализованного в ИТПМ СО РАН на аэродинамичес кой трубе Т-324.

работу шаговых двигателей координатного устройства по окончании записи в память компьютера очередного цикла измерений. Программное обеспечение работы автоматизированного измерительного комплекса состоит из программы управления перемещением датчика термоанемометра в трехмерном пространстве, программы Рис. 2.2. Пространственная картина развития цуга -структур в пограничном слое прямого крыла.

формирования сигнала для генерации вводимых в поток возмущений и программ сбора, накопления и обработки результатов термоанемометрических измерений. Результаты обработки измерений могут быть представлены в виде пространственных поверхностей и изолиний распределения скорости и пульсаций скорости. С другой стороны, экспериментальная информация представляется пространственно-временной термоанемометрической визуализацией течения как в виде видеофильма (динамика процесса), так и статичных картин развития возмущений в различные моменты времени.

Показано, что использование настоящей методики изучения развития возмущений позволило получить не только качественную, но и количественную информацию о пространственной структуре и характеристиках их развития как на линейной, так и нелинейной стадии. Представлены, в частности, результаты экспериментальных исследований развития возмущений в пограничном слое прямого и скользящего крыла на нелинейной стадии процесса, полученные с помощью автоматизированного измерительного комплекса (рис. 2.2).

Глава III. Возникновение турбулентности из периодических возмущений В данной главе описываются результаты экспериментального исследования возникновения турбулентности из периодических возмущений. Рассматривается развитие двумерных пространственно-модулированных волн и волновых цугов от тоРис. 3.1. Термоанемометрическая визуализация пульсационной составляющей продольной компоненты скорости u в (t, z) плоскостях демонстрирующая переход K-типа на прямом (a, b) и скользящем крыльях (c, d). x/C = 0,48 (a, c) и 0,66 (b, d).

чечного источника в пограничном слое прямого и скользящего крыльев. В контролируемом эксперименте на прямом и скользящем крыле был смоделирован K-режим перехода и исследована структура течения и переход к турбулентности в пограничном слое в области неблагоприятного градиента давления. Показано, что процесс развития -структур и турбулизации течения на прямом крыле качественно аналогичен данному процессу на плоской пластине. Однако на скользящем крыле картина течения кардинально меняется (рис. 3.1).

Впервые показано, что -структуры в области неблагоприятного градиента давления скользящего крыла становятся асимметричными из-за поперечного течения (см. рис. 3.1). Асимметрия выражается в постепенном подавлении одного из противовращающихся вихрей -структуры поперечным течением. С увеличением угла скольжения асимметрия растет и возникает ситуация, когда остается лишь один вихрь. Это хорошо демонстрирует картина термоанемометрической визуализации развития цуга -структур, генерированных от точечного источника. На рис. 3.2 видно, что при угле скольжения 30° наблюдаются асимметричные -структуры, а при 45° от -структуры остается лишь один вихрь. Практически -структура трансформируется в нестационарный вихрь по типу полосчатой структуры. Механизм разрушения такой структуры, как известно по многочисленным исследованиям, может проходить через развитие вторичных высокочастотных возмущений в областях неустойчивости ее трансверсального профиля скорости (u/z).

Рис. 3.2. Сравнение нелинейной стадии развития возмущений на прямом крыле (a), скользящих крыльях угла скольжения 30° (b) и 45° (c).

Глава IV. Исследование непериодических возмущений и их роль в порождении турбулентности В главе описываются результаты экспериментальных исследований возникновения турбулентности из непериодических возмущений. Рассматриваются характеристики развития возмущений, генерируемых локализованным вибратором прямоугольной формы, в пограничном слое Блазиуса и прямого крыла. Показано, что в случае «малых» амплитуд колебаний мембраны низкой частоты в пограничном слое Блазиуса формируется и распространяется вниз по потоку трехмерная длинноволновая локализованная полосчатая структура со свойствами пакета волн ТШ (рис. 4.1). Вниз по потоку амплитуда возмущения уменьшается, фазовая скорость возмущения составляет 0,4U0. На краях мембраны наблюдается скачок фазы волны на 180°. Локализация возмущений при распространении вниз по потоку сохраняется. В случае же «больших» амплитуд колебаний мембраны низкой частоты с резким передним фронтом «выплескивание» жидкости мембраной (рис. 4.2)порождает возмущение с характеристиками, присущими «пафф»-структуре (полосчатой структуре). На начальном этапе скорость его распространения в слое максимальной амплитуды пульсаций составляет приблизительно 0,55U0, а при дальнейшем развитии возмущения вниз по потоку увеличивается до 0,75U0. При своем развитии возмущение локализуется в поперечном направлении. Скорость распространения его переднего фронта, который расположен вблизи верхней границы пограничного слоя, составляет 0,8U0, а заднего фронта, располагающегося вблизи стенки, – 0,4U0, в связи с чем при движении вниз по потоку возмущение непрерывно растягивается. Максимум интенсивности возмущения по нормальной координате расположен значительно выше от стенки, чем у волны ТШ.

Изучение характеристик развития возмущений, генерированных аналогичным вибратором в области благоприятного градиента давления на прямом крыле, показало, что вибратор порождает продольные полосчатые структуры и волновые пакеты на переднем и заднем фронтах этих структур. При попадании возмущения в область неблагоприятного градиента давления (рис. 4.3) интенсивность волновых пакетов растет и они трансформируются в турбулентные пятна вниз по потоку.

Рис. 4.1. Изолинии пульсационной составляющей скорости в плоскости z – t для случая «малых» амплитуд.

Цифрами указаны значения амплитуды в процентах от скорости набегающего потока. Шаг изолиний 0,075%.

Полосчатые структуры, попадая в область неблагоприятного градиента давления, не затухают и создают условия для возможного роста вторичных возмущений на них, что также приводит к возникновению турбулентных пятен. Таким образом, локализованный вибратор на прямом крыле создает два вида неустойчивости пограничного слоя: пакеты волн неустойчивости и вторичную высокочастотную неустойчивость полосчатых структур (рис. 4.3).

Представлены результаты исследования механизма трансформации -структуры в турбулентное пятно Рис. 4.2. Изолинии пульсационной составляющей скорости через процесс развития втов плане z – t, показывающие развитие возмущения, порожричных высокочастотных даемого вибрациями поверхности, в случае «больших» возмущений на затухающей амплитуд.

-структуре. Рассмотрены Цифрами указаны значения амплитуды в процентах от скорости как качественные, так и конабегающего потока. Шаг изолиний 0,25%.

личественные характеристики развития низкочастотных и высокочастотных возмущений, генерированных раздельно и в процессе их взаимодействия. При помощи дымовой визуализации течения было установлено, что источник возмущений порождает в пограничном слое -структуру и в зависимости от амплитуды возмущения -структура может быть как нарастающей, т.е. трансформирующейся в турбулентное пятно вниз по потоку, так и затухающей.

Рис. 4.3. Развитие возмущения от вибратора в области с неблагоприятным градиентом давления (изолинии пульсаций скорости u в плоскости (z,t) на уровне y = y (umax): сплошные изолинии - превышение, пунктирные изолинии – дефект скорости;: слева – x = 205 мм, U = 0,44U0, (u/U)min = 0,02, (u/U)max = 0,025, (u/U) = 0,005;

справа – x = 225 мм, U = 0,57U0, (u/U)min = 0,035, (u/U)max = 0,04, (u/U) = 0,005.

d e Рис. 4.4. Осциллограммы, показывающие развитие затухающей -структуры (1) и -структуры, взaимодействующей с высокочастотным возмущением (частотой f = 290 Гц) (2) при z = 0.

f Один из возможных механизмов трансформации затухающей -структуры в турбулентное пятно через процесс развития на ней вторичных возмущений был смоделирован и исследован. Генерированные раздельно низкочастотное (-структура) и вы- сокочастотное (синусоидальная волна) возРис. 4.5. Изолинии пульсаций продольмущения затухали вниз по потоку, а при их ной компоненты скорости в плоскости одновременной генерации они взаимодейстz – t затухающего -вихря (a–c) и вовали, и этот процесс приводил к возник-вихря, взаимодействующего с высоновению турбулентного пятна. Более подкочастотной волной (d–f) при x = 377 мм робно этот процесс можно наблюдать по ос(a, d), 480 мм (b, e), 587 мм (c, f).

циллограммам, представленным на рис. 4.4, U0 = 5,6 м/с, y = y(u’max).

и изолиниям пульсаций продольной компоСплошные изолинии – превышение скороненты скорости на рис. 4.5. сти, пунктирные изолинии – дефект скорости (max, min отклонение в процентах от Видно, что взаимодействие возмущескорости набегающего потока, step – шаг ний привело к возникновению высокочас изолиний).

тотного волнового пакета, который вниз по потоку преобразовался в турбулентное пятно. Детальные количественные измерения показали, что высокочастотное вторичное возмущение развивается в областях неустойчивости (u/z) двух противовращающихся вихрей («ног» -структуры). Частота вторичного возмущения уменьшается из-за растяжения продольных вихрей структуры в процессе ее движения вниз по потоку. Вторичное возмущение способствует перекачке энергии потока в низкочастотное (-структура) возмущение, головка -структуры начинает выходить за верхнюю границу пограничного слоя, приобретая тем самым все характерные особенности, присущие нарастающей -структуре. Возможный механизм вторичного высокочастотного разрушения одиночной -структуры был качественно подтвержден и для случая группы -структур, наличие которых типично для K- и N-режимов перехода.

Глава V. Вторичная неустойчивость продольных вихрей в пограничном слое скользящего крыла Глава посвящена исследованиям вторичной неустойчивости продольных вихрей (полосчатых структур) в пограничном слое скользящего крыла. Проведено детальное экспериментальное изучение формирования пакетов вихревой моды поперечного течения и их вторичной высокочастотной неустойчивости в пограничном слое скользящего крыла. Показано, что стационарные вихревые пакеты являются наиболее часто возникающими в условиях естественного полета и переход к турбулентности происходит очень быстро в присутствии этих возмущений. В настоящих экспериментах были использованы различные методы управляемого возбуждения вихревых пакетов поперечного течения, такие как элементы шероховатости и локализованный непрерывный отсос (рис. 5.1). В результате экспериментальных исследований вторичной неустойчивости пограничного слоя скользящего крыла получены характеристики развития основного течения, первичных продольных вихрей и вторичных возмущений. Представлены результаты детальных термоанемометрических измерений в контролируемых экспериментах как стационарных вихрей, так и вторичных высокочастотных возмущений. Получены характеристики развития вторичной неустойчивости течения, включая фазовую информацию, коэффициенты нарастания и развития нелинейных гармоник.

Рис. 5.1. Схема эксперимента (слева). Генераторы вихрей (элементы шероховатости) (справа).

А, An – левая искусственная и естественная полосчатая структура соответственно), B – правая искусственная полосчатая структура, Ar – взаимодействие полосчатых структур, As – полосчатая структура, генерированная вдувом – отсосом.

Известно, что пакеты стационарных вихрей поперечного течения являются наиболее опасными в отношении возникновения вторичной неустойчивости течения.

В экспериментах, проведенных в естественных условиях, стационарная модуляция течения приводила к его неоднородности, показывая скорее на наличие пакетов мод, чем единичной моды стационарных вихрей. Кроме того, эксперименты показали, что вторичные неустойчивости развиваются внутри пакетов с наибольшей амплитудой вне зависимости от окружающих вихрей. Ожидается, что характер вихревых пакетов, состоящих из нескольких трансверсальных мод, позволит этим возмущениям внедрить сильное искажение течения, а именно сильные трансверсальные градиенты скорости. В этом случае вихревой пакет напоминает насыщенный вихрь с единичной модой, который также внедряет сильные градиенты скорости. Можно предположить, что в условиях естественного перехода такие пакеты в пограничном слое могут быть вызваны некоторым локализованным возбуждением, например, изолированными элементами шероховатости (рис. 5.1). Установлено, что в трехмерном пограничном слое возможно существование двух типов стационарных волновых пакетов, которые можно назвать фундаментальными. Эти два пакета представляют собой локализованные вихри с различным направлением вращения. Оказывается, что наиболее важные различия этих двух волновых пакетов состоят в различном знаке сильного градиента U/z, различная модификация скорости поперечного течения, которая либо растет, либо падает и, наконец, формирует низкоскоростную полосчатую структуру различной ширины.

Пакеты положительного вращения вихревых возмущений (вращение по часовой стрелке для позитивного базового поперечного течения) более благоприятны для возникновения вторичной неустойчивости. В нашем случае эти пакеты приводят к быстрому разрушению течения, которое связано с развитием ‘z’-моды вторичной неустойчивости. Топология пакетов с негативным направлением вращения такова, что они могут быть более устойчивыми и благоприятствовать ‘y’-моде вторичной неустойчивости. Важное наблюдение состоит в том, что локализованный отсос генерирует вихревой пакет с высокой неустойчивостью, похожий на положительно вращающийся вихрь, генерированный элементом шероховатости. Таким образом, когда локализованный отсос используется с целью управления течением на скользящем крыле, этот эффект должен быть рассмотрен. С другой стороны, поскольку возмущения, развивающиеся от отсоса очень близки к возмущениям от элемента шероховатости, элементы шероховатости могут быть использованы для управления течением вместо отсоса. Обнаружено также, что нелинейное взаимодействие стационарных возмущений в виде пары противовращающихся вихрей (создаваемых на сторонах элемента шероховатости) приводит к их взаимному затуханию и, в принципе, этот эффект может быть использован для управления течением (рис. 5.2).

В целом, показано, что ‘z’-моды вторичной неустойчивости, которые развиваются в области экстремумов поперечных градиентов продольной компоненты скорости, нарастают быстрее, чем ‘y’-моды, которые наблюдались вдали от стенки внутри инертной области вихря. Обнаружено, что положение обеих мод неустойчивости коррелирует с точкой перегиба профиля трансверсальной компоненты скорости. Вектор фазовой скорости вторичных неустойчивостей значительно наклонен к линиям тока внешнего течения и к первичному стационарному вихрю (примерно под углом 50° – 70°). Наклон может нарастать далее, когда появятся нелинейные взаимодействия между вторичным возмущением и средним течением. Вторичные возмущения почти не подвержены дисперсии в процессе линейных и слабо-нелинейных стадий развития.

В результате вторичные возмущения сохраняют постоянное положение относительно первичного вихря и в пределах вихря. Далее, когда возникают нелинейные взаимодействия, они приводят к значительному распространению возмущений в направлении поперечного течения.

Отношение ширины вихря к его высоте может быть определяющим фактором для селекции моды вторичной неустойчивости. Вихревой пакет, который благоприятствует ‘y’-моде вторичной неустойчивости имеет это соотношение ширина – высота, приблизительно, в 1,5 раза больше, чем вихревой пакет с ‘z’-модой вторичной неустойчивости. Это может быть вероятным объяснением того факта, что в различных экспериментах в качестве доминирующих наблюдаются разные типы вторичных неустойчивостей.

Пороговое значение для Рис. 5.2. Развитие вниз по потоку стационарного возмувторичной неустойчивости в щения (a) и первой гармоники (b) высокочастотной втотерминах среднего числа меричной неустойчивости для различных исследованных жду максимумом и минимуслучаев.

мом стационарного возмущеСимволы отражают результаты эксперимента, а линии полиния продольной компоненты номиальное осреднение данных.

скорости – приблизительно 7– – случай A; – случай B; – случай Ar; – Случай An.

10 %. В пределах первичного вихря амплитуды ниже пороговой величины, вторичные неустойчивости были близки к нейтрально устойчивым.

Поскольку вторичные неустойчивости развиваются, происходят нелинейные взаимодействия; найдено, что нелинейное развитие бегущих вторичных неустойчивостей связано с производством высших гармоник частоты вторичной неустойчивости.

Глава VI. Исследование развития вторичной неустойчивости полосчатых структур в пограничных слоях В главе представлены результаты исследования нелинейной синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатых структур в пограничном слое плоской пластины (рис. 6.1).

0, U / Q Рис. 6.1. Схема эксперимента.

6.2. Картины синусоидального разрушения полосчатой структуры.

Слева: пространственная картина развития возмущения совместно с его влиянием на среднюю скорость (минимальный уровень пульсаций 6,4 % U, темные полутона – превышение скорости, светлые – дефекты скорости) (I), контурные диаграммы изолиний дефектов средней скорости в плоскости yz на различных расстояниях вниз по потоку (сплошные изолинии – превышение скорости, пунктирные – дефект скорости) (II).

Справа: пространственная картина развития возмущения (минимальный уровень пульсаций 1,3 % U, темные полутона – превышение скорости, светлые – дефекты скорости) (I); контурные диаграммы изолиний среднеквадратичных пульсаций скорости (RMS) на различных расстояниях вниз по потоку в плоскости yz (II).

Полосчатые структуры генерировались с помощью цилиндрического элемента шероховатости, расположенного на расстоянии x0 = 438 мм от носика пластины. Вторичные высокочастотные возмущения (f = 150 Гц) вводились в пограничный слой с помощью динамических громкоговорителей. Это позволило управлять неустойчивостью полосчатой структуры с помощью искусственных возмущений, генерируемых вдувом - отсосом газа через три отверстия малого диаметра на поверхности пластины.

Одно отверстие (z = 0) при x – x0 = 14,5 мм использовалось для возбуждения трансверсальных симметричных возмущений, а другие два отверстия для возбуждения антисимметричных возмущений z = ± 4,5 мм при x – x0 = 19,5 мм. Возбуждаемая частота вторичного высокочастотного возмущения составляла 150 Гц, что примерно соответствовало безразмерному частотному параметру 2 f/U2 106 = 232. Амплитуда вторичного возмущения доходила до 10% от U вблизи источника (x – x0 = 30 мм), что позволяло исследовать нелинейную стадию процесса, представляющую для нас основной интерес.

Рассматривается пространственная структура и характеристики развития возмущений. Установлено, что вторичная высокочастотная неустойчивость полосчатой структуры синусоидального (рис. 6.2) и варикозного (рис. 6.3) типов на нелинейной стадии приводит к мультиплицированию новых полосчатых структур вниз по потоку.

Рис. 6.3. Картины варикозного разрушения полосчатой структуры.

Слева: пространственная картина развития возмущения совместно с его влиянием на среднюю скорость (минимальный уровень пульсаций 6,4 % U, темные полутона – превышение скорости, светлые – дефекты скорости) (I), контурные диаграммы изолиний дефектов средней скорости в плоскости yz на различных расстояниях вниз по потоку (сплошные изолинии – превышение скорости, пунктирные – дефект скорости) (II);

Справа: пространственная картина развития возмущения (минимальный уровень пульсаций 1,3 % U, темные полутона – превышение скорости, светлые – дефекты скорости) (I); контурные диаграммы изолиний среднеквадратичных пульсаций скорости (RMS) на различных расстояниях вниз по потоку в плоскости yz (II).

Впервые показано, что механизм нелинейного разрушения полосчатой структуры через процесс развития на ней вторичного возмущения связан с образованием когерентных структур типа -вихрей как для синусоидальной, так и варикозной мод неустойчивости.

Показано, что -вихри множатся в трансверсальном направлении при эволюции возмущения вниз по потоку.

В заключение следует отметить, что сценарий классического ламинарнотурбулентного перехода на нелинейной стадии этого процесса связан с трехмерным искажением двумерной волны Толлмина – Шлихтинга и образованием при этом трехмерных когерентных структур типа -вихрей. Данные исследования показали, что существуют другие сценарии возникновения -структур в пристенных сдвиговых течениях, в частности, в процессе вторичной высокочастотной неустойчивости полосчатых структур синусоидального и варикозного типа.

Приведены детальные характеристики развития варикозной неустойчивости течения в пограничном слое прямого и скользящего крыльев. Установлено, что механизм нелинейного разрушения полосчатой структуры через процесс развития на ней вторичного возмущения в пограничном слое прямого крыла в областях нулевого и неблагоприятного градиента давления связан с образованием когерентных структур типа -вихрей. Показано, что вторичная высокочастотная неустойчивость полосчатой структуры варикозного типа на нелинейной стадии развития в пограничном слое прямого крыла в областях нулевого и неблагоприятного градиента давления приводит к мультиплицированию как полосчатых структур, так и -вихрей вниз по потоку. Установлено, что трансверсальное расплывание возмущенной области в случае неблагоприятного градиента давления происходит под углом примерно в два раза бльшим, чем в случае нулевого градиента давления (рис. 6.4). Обнаружено, что переход в турбулентное состояние варикозной неустойчивости полосчатой структуры происходит значительно раньше по пространству в случае неблагоприятного градиента давления по сравнению со случаем безградиентного течения в пограничном слое прямого крыла (см. рис. 6.4).

Рис. 6.4. Развитие высокочастотных бегущих волн (I) в 3-мерном представлении и продольное изменение амплитуды (II) для нулевого (1) и неблагоприятного (2) градиентов давления.

a – нулевой и b – неблагоприятный градиенты давления. Темные и светлые полутона указывают на положительное (+ 0,8% U) и отрицательное (– 0,8% U) отклонение скорости.

Рис. 6.5. Схема эксперимента (вверху), системы координат (лабораторная система координат крыла – внизу слева) и компоненты скорости в трехмерном пограничном слое (внизу справа).

Рис. 6.6. Пространственная картина развития полосчатой структуры (слева) и высокочастотного вторичного возмущения (справа), развивающегося на полосчатой структуре в пограничном слое скользящего крыла.

Темный полутон – превышение , светлый полутон – дефект.

В результате экспериментального исследования варикозной неустойчивости полосчатой структуры на скользящем крыле (рис. 6.5) установлено, что неустойчивость варикозного типа может иметь место и в данном случае. Показано, что причиной развития и нарастания вторичных возмущений на полосчатой структуре является неустойчивое распределение средней скорости по нормали к стенке. Данный факт согласуется с основным критерием варикозной неустойчивости (неустойчивость нормальных к стенке профилей скорости U/y). Обнаружено, что вторичное высокочастотное возмущение приводит к продольной модуляции полосчатой структуры и возникновению новых полосчатых структур вниз по потоку. Выявлено появление локализованных в пространстве структур, вызванных развитием вторичного возмущения, в отличие от подобных образований (два противовращающихся симметричных вихря, замкнутых головкой: -вихрь) в случае отсутствия поперечного течения. В пограничном же слое скользящего крыла они представляют собой асимметричные структуры в виде локализованных продольных вихрей из-за воздействия поперечного течения (рис. 6.6).

Глава VII. Управление нелинейной стадией развития возмущений В главе представлены результаты исследования по управлению развитием возмущений с помощью риблет, распределенного и локализованного отсоса. Рассмотрена возможность управления трансформацией структуры в турбулентное пятно с помощью риблет (рис. 7.1).

При этом обнаружено, что структура трансформируется в турбулентное пятно вниз по потоку на гладкой поверхности плоской пластины за счёт мультиплицирования -структур. Установлено, что риблеты предотвращают трансформацию -структуры в турбулентное пятно и приводят к затуханию данного возмущения. Показано, что интенсивность -структуры на риблетах сначала нарастает, а затем затухает и уменьшается на исследуемом участке более чем в два раза, чем при ее развитии на гладкой поверхности. Обнаружено, что -структура на гладкой поверхности растягивается и трансформируется в шпильковый вихрь. ПоказаРис. 7.1. Пространственная картина термоанемоно, что в обоих случаях уединенные метрической визуализации развития -структуры -структура и турбулентное пятно на гладкой (а) и оребренной (б) поверхности плогенерируют на периферии наклон- ской пластины на различных расстояниях вниз по потоку.

ные волны.

Уровень амплитуды изоповерхностей 0,75% U0, U0 = 8,9 м/с.

Рассмотрено влияние риблет на нелинейные возмущения в пограничном слое, и установлено стабилизирующее воздействие риблет, расположенных по потоку, на синусоидальную и варикозную неустойчивость полосчатой структуры, что характеризуется снижением интенсивности как полосчатых структур, так и вторичных высокочастотных возмущений и приводит к затягиванию турбулизации течения. Показано дестабилизирующее воздействие риблет, расположенных поперек потока, на оба вида неустойчивостей, что характеризуется повышением интенсивности полосчатых структур и вторичных высокочастотных возмущений и в целом приводит к ускорению турбулизации течения (рис. 7.2).

Рассмотрена возможность управления неустойчивостью поперечного течения скользящего крыла с помощью отсоса (рис. 7.3). Показано, что турбулизация течения в пограничном слое скользящего крыла связана с развитием вторичных высокочастотных возмущений на полосчатых структурах, модулирующих течение в трансверсальном направлении. При этом установлено, что локализованный отсос не оказывает существенного влияния на подавление интенсивности вторичных возмущений. С другой стороны обнаружено, что распределенный отсос через несколько локализованных в трансверсальном направлении отверстий (при равной величине отсасываемого газа с отсосом через одно отверстие) снижает как интенсивность полосчатой структуры, так и интенсивность вторичных возмущений и коэффициент этого снижения растет с увеличением количества отверстий, через которые ведется отсос. Показано, что расРис. 7.2. Кривые нарастания интенсивности средней (а) и пульсационной (б) составляющих продольной компоненты скорости возмущения вниз по потоку для случая синусоидальной (слева) и варикозной (справа) неустойчивости полосчатой структуры на гладкой (1) и оребренной поперек (2) и вдоль (3) потока поверхности.

Рис. 7.3. Схема эксперимента.

Рис. 7.4. Влияние локализованного (слева) и распределенного (справа) отсоса на распределения пульсаций скорости при развитии возмущения в пограничном слое скользящего крыла.

График слева: 1 – без отсоса, 2–6 – отсос через отверстия 1–5 соответственно; график справа: 1 – без отсоса, 2 – отсос через отверстия 1–4, 3 – отсос через отверстия 1–6, 4 – отсос через отверстия 3–6.

пределенный отсос через ряд отверстий, общая протяженность которых занимает весь трансверсальный размер полосчатой структуры, подавляет интенсивность развития вторичных возмущений в три раза и, таким образом, затягивает турбулизацию течения (рис. 7.4).

Заключение В заключении сформулированы основные результаты исследований и сделаны следующие выводы.

1. Разработана и применена методика пространственно – временной термоанемометрической визуализации течений, позволившая получить не только качественную, но и количественную информацию о пространственной структуре и характеристиках развития возмущений на нелинейной стадии их развития;

2. Детально исследовано развитие волновых цугов от точечного источника на прямом и скользящем крыльях 30° и 45° включая линейную стадию и процесс возникновения турбулентности.

3. Впервые показано, что ламинарно-турбулентный переход, вызванный волнами ТШ на скользящем крыле, приводит к образованию асимметричных -структур.

Наличие поперечного течения приводит к тому, что из двух противовращающихся вихрей -структуры остается лишь один при угле скольжения = 45° и выше.

4. Установлено, что механизм разрушения периодических -структур, типичных для K- и N-режимов перехода, как и в случае разрушения уединенной структуры или полосчатой структуры, связан с развитием на них вторичных высокочастотных возмущений.

5. Впервые получены характеристики развития вторичной неустойчивости течения в пограничном слое скользящего крыла, включая фазовую информацию, коэффициенты нарастания и развития нелинейных гармоник. Представлены характеристики развития основного течения, первичных продольных вихрей и вторичных возмущений. Установлена возможность управления развитием возмущений с помощью изменения масштабов и трансверсальной периодичности продольных вихрей.

6. Установлено, что вторичная высокочастотная неустойчивость полосчатой структуры синусоидального и варикозного типов на нелинейной стадии приводит к мультиплицированию новых полосчатых структур вниз по потоку. Впервые показано, что механизм нелинейного разрушения полосчатой структуры через процесс развития на ней вторичного возмущения связан с образованием когерентных структур типа вихрей как для синусоидальной, так и варикозной мод неустойчивости. Показано, что -вихри множатся в трансверсальном направлении при эволюции возмущения вниз по потоку.

7. Установлено, что механизм нелинейного разрушения полосчатой структуры в пограничном слое прямого и скользящего крыла связан с образованием когерентных структур типа -вихрей. Показано, что вторичная высокочастотная неустойчивость полосчатой структуры варикозного типа на нелинейной стадии развития в пограничном слое прямого и скользящего крыла приводит к мультиплицированию как полосчатых структур, так и -вихрей вниз по потоку.

8. Впервые установлена возможность управления процессом нелинейного развития возмущений в пограничном слое плоской пластины, прямого и скользящего крыльев с помощью оребрения обтекаемой поверхности, локализованного и распределенного отсоса.

9. Данная работа определила следующие научные направления:

Первое направление связано с использованием современной методики пространственно-временной термоанемометрической визуализации сложных трехмерных течений с целью более детального понимания структуры и характеристик развития возмущений в четырехмерном пространстве (x, y, z, t).

Второе направление связано с разработкой различных способов управления механизмом турбулизации течений на основании полученных с помощью методики пространственно-временной термоанемометрической визуализации новых знаний о протекающих процессах.

Основные результаты диссертации отражены в работах:

1. Chernoray V.G., Bakchinov A.A., Kozlov V.V., Loefdahl L. Experimental study of the K-regime of breakdown in straight and swept wing boundary layers // Physics of Fluids.

2001. Vol. 13, No. 7. P. 2129–2132.

2. Chernoray V.G., Dovgal A.V., Kozlov V.V., Loefdahl L. Experiments on secondary instability of streamwise vortices in a swept wing boundary layer // J. Fluid Mech. 2005.

Vol. 534. P. 295–325.

3. Литвиненко Ю.А., Грек Г.Р., Козлов В.В., Лефдаль Л.Л. Чернорай В.Г. Экспериментальное исследование варикозной неустойчивости полосчатой структуры в пограничном слое скользящего крыла // Теплофизика и аэромеханика. 2004. Т. 11, № 1. P. 13–22.

4. Чернорай В.Г., Грек Г.Р., Катасонов М.М., В.В. Козлов. Генерация локализованных возмущений вибрирующей поверхностью // Теплофизика и аэромеханика. 2000.

Т. 7, № 3. C. 339–351.

5. Литвиненко Ю.А., Козлов В.В., Чернорай В.Г., Грек Г.Р., Лефдаль Л.Л. Управление неустойчивостью поперечного течения скользящего крыла с помощью отсоса // Теплофизика и аэромеханика 2003. Т. 10, № 4. P. 559–567.

6. Литвиненко Ю.А., Чернорай В.Г., Козлов В.В., Лефдаль Л.Л., Грек Г.Р., Чун Х.

О нелинейной синусоидальной и варикозной неустойчивости в пограничном слое (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. 2004. Т. 11, № 3. C. 339–364.

7. Литвиненко Ю.А., Чернорай В.Г., Козлов В.В., Лефдаль Л.Л., Грек Г.Р., Чун Х.Х.

О нелинейной синусоидальной и варикозной неустойчивости в пограничном слое // Доклады академии наук. 2005. Т. 401, № 2. C. 1–4.

8. Грек Г.Р., Козлов В.В., Чернорай В.Г. Гидродинамическая неустойчивость пограничных слоев и отрывных течений (современное состояние исследований) // Успехи механики. 2005. Т. 3, № 4. C. 3–40.

9. Litvinenko Yu.A., Chernoray V.G., Kozlov V.V., Grek G.R., Loefdahl L.L., Chun H.H.

Adverse pressure gradient effect on nonlinear varicose instability of a streaky structure in unswept wing boundary layer // Physics of Fluids. 2005. Vol. 17, No. 1.

P. 118106(1)–118106(3).

10. Литвиненко Ю.А., Козлов В.В., Чернорай В.Г., Грек Г.Р., Лефдаль Л.Л. Экспериментальное исследование варикозной неустойчивости полосчатой структуры в пограничном слое скользящего крыла // Теплофизика и аэромеханика. 2004. Т. 11, № 1. C. 13–22.

11. Литвиненко Ю.А., Чернорай В.Г., Козлов В.В., Грек Г.Р., Лефдаль Л.Л., Чун Х.Х., Управление трансформацией -структуры в турбулентное пятно с помощью риблет // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12, № 4. С. 575–585.

12. Chernoray V.G., Grek G.R., Kozlov V.V., Litvinenko Yu. A., Spatial hot-wire visualization of the -structure transformation into the turbulent spot on the smooth flat plate surface and riblet effect on this process // Journal of Visualization. 2010. Vol. 13, No. 1.

P. 151–158.

13. Jorgensen F.E., Chernoray V.G., Bakchinov A.A., Lofdahl L. A multi-sensor hot-wire anemometer system for investigation of wall-bounded flow structures // Exp. Therm.

Fluid Sci. 2003. Vol. 27, No. 2. P. 207–214.

14. Chernorai V.G., Haasl S., Mucha D., Ebefors T., Enoksson P., Lfdahl L., Stemme G.

Hybrid mounted micromachined aluminium hotwires for wall shear stress measurements // Journal of Microelectromechanical Systems. 2005. Vol. 14, No. 2. 7 p.

15. Литвиненко Ю.А., Чернорай В.Г., Козлов В.В., Лефдаль Л.Л., Грек Г.Р., Чун Х.Х.

Влияние риблет на развитие лямбда-структуры и ее преобразование в турбулентное пятно // Доклады академии наук. 2006. Т. 407. № 2. С. 1–4.

16. Чернорай В.Г., Козлов В.В., Лефдаль Л.Л., Грек Г.Р., Чун Х.Х. Влияние риблет на нелинейные возмущения в пограничном слое // Теплофизика и аэромеханика.

2006. Т. 13, № 1. С. 75–82.

17. Чернорай В.Г., Козлов В.В., Лефдаль Л.Л., Пратт П.Р. Термоанемометрическая визуализация турбулизации сложных течений // Теплофизика и аэромеханика. 2006.

Т. 13, № 2. С. 1–9.

18. Chernoray V.G., Kozlov V.V., Lfdahl L. and Chun H.H., Visualization of sinusoidal and varicose instabilities of streaks in a boundary layer // Journal of Visualization. 2006.

Vol. 9, No. 4, P. 217–225.

19. Чернорай В.Г., Литвиненко Ю.А., Козлов В.В., Грек Г.Р. Исследование нелинейной неустойчивости продольной структуры, генерированной шероховатостью в пограничном слое прямого крыла // Теплофизика и аэромеханика. 2007. Т. 14, № 3.

С. 359–376.

20. Чернорай В.Г., Литвиненко М.В., Литвиненко Ю.А., Козлов В.В., Чередниченко Е.Е. Продольные структуры в ближнем поле плоской пристенной струи // Теплофизика и аэромеханика. 2007. Т. 14, № 4. С. 1–9.

21. Chernoray V.G., Kozlov V.V., Lee I., Chun H.H. Influence of an unfavourable pressure gradient on the breakdown of boundary layer streaks // Journal of Visualization. 2007.

Vol. 10, No. 2. P. 217–225.

22. Чернорай В.Г., Литвиненко Ю.А. Исследование структуры течения плоской пристенной струи методом PIV // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2009. Т. 4, вып. 2.

С. 19–26.

23. Grek G.R., Kozlov V.V., Katasonov M.M., Chernorai V.G. Experimental study of a structure and its transformation into the turbulent spot // Current Sci. 2000. Vol. 79, No. 6. P. 781–789.

24. Козлов В.В., Грек Г.Р., Лефдаль Л.Л., Чернорай В.Г., Литвиненко М.В. Роль продольных локализованных структур в процессе перехода к турбулентности в пограничных слоях и струях (Обзор) // ПМТФ. 2002. T. 43, № 2. C. 62-76.

25. Chenoray V., Haasl S., Stemme G., Sen M., Loefdahl L. Characteristics of a hot wire microsensor for time-dependent wall shear stress measurements // Exp. Fluids. 2003.

Vol. 35, No. 3. P. 240–251.

Приложение I Разработка и исследование характеристик МЭМС-датчиков В приложении I представлены разработанные автором диссертации конструкции датчиков для измерения пульсаций пристенного касательного напряжения, адаптированных для производства по МЭМС-технологиям. Данная технология позволяет производить различные конфигурации датчиков с высокой точностью и повторяемостью. При конструировании использовались новые для термоанемометрических датчиков материалы – алюминий и кремний. Посредством численного расчета и эксперимента выявлены особенности работы таких датчиков. Произведена калибровка МЭМС-датчиков в пограничном слое на крыле и в турбулентном пограничном слое плоской пластины. Показано, что МЭМС-датчики могут быть использованы для исследования процесса ламинарно-турбулентного перехода и турбулентности.

Приложение II Экспериментальное исследование неустойчивости плоской струи В приложении II представлены результаты экспериментальных исследований неустойчивости плоской струи. Обнаружено, что продольные полосчатые структуры в дозвуковых круглой, плоской и плоской пристенной струях могут генерироваться непосредственно на выходе из сопла. Показано, что механизм взаимодействия вихрей Кельвина – Гельмгольца с полосчатыми структурами, сгенерированными в пограничном слое сопла, представляет собой классический сценарий трехмерного искажения двумерной волны (кольцевого вихря) на неоднородностях потока (полосчатых структурах), развивающихся в сдвиговом слое струи. Процесс трехмерного искажения приводит к возникновению вихревых образований, которые выносятся в окружающее пространство и имеют в продольном сечении вид лучей, а в поперечном – грибовидных структур. В области развития продольных структур имеет место интенсивный процесс смешения струи и окружающего воздуха.

Показано, что увеличение числа Рейнольдса на выходе струи из сопла приводит к ускорению турбулизации струи и уменьшению характерного размера продольных структур, это вызвано уменьшением толщины слоев сдвига. Уменьшение числа Рейнольдса ведет к обратному явлению. Найдено, что искусственное возбуждение двумерных волн Кельвина – Гельмгольца различной частоты оказывает влияние на размер в поперечном направлении и амплитуду продольных структур. Взаимодействие двумерной неустойчивости с трехмерными полосчатыми структурами позволяет ускорять или затягивать процесс турбулизации струи.

В результате проведения тестовых экспериментов и сравнения с теоретическими расчетами найдено, что пристенная струя может быть описана решением уравнений пограничного слоя в ближнем поле струи. Результаты эксперимента показали, что линейная теория устойчивости способна с удовлетворительной точностью предсказать наиболее возбуждающуюся частоту периодических волн и наиболее растущий размер продольной структуры. Сравнение результатов экспериментов с прямым численным моделированием показывает, что этот метод может качественно описать процесс возникновения и развития продольных структур.

Ответственный за выпуск В.Г. Чернорай Подписано в печать 18.07.20Формат бумаги 60 84/16, Усл. печ. л. 2.0, Уч. изд. л. 2.0, Тираж 120 экз., Заказ № Отпечатано в типографии ООО "Параллель" 630090, Новосибирск-90, Институтская, 4/




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.