Экспериментальное моделирование эффектов ламинарно-турбулентного перехода в областях отрыва пограничного слоя тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

-Р-Г-Б ОД

На правах рукописи

Довгаль Александр Владимирович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ЛАМИНАРНО-ТУРБУЛЕНТНОГО ПЕРЕХОДА В ОБЛАСТЯХ ОТРЬША ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

01.02.05 - механика жидкостей, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск 1996

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

доцент С.В.Алексеенко, доктор технических наук, старший научный сотрудник В.А.Лебига, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Е.Д.Терентьев

Ведущая организация: Центральный аэрогидродинамический

институт, г. Жуковский, Моск. обл.

Защита состоится " ¿>--¿3^//1996 года в часов

на заседании диссертационного совета Д 002.65.01 в Институте теплофизики Сибирского Отделения РАН (630090, Новосибирск, пр-кт Академика Лаврентьева,!).

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Института теплофизики Сибирского Отделения РАН

Автореферат разослан " 2-У"

года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук /!(, ^ / Р.Г.Шарафутдинов

(

ОЫЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ------------ ----------------------------------------------

Актуальность темы. Отрыв пограничного слоя от поверхности обтекаемого тела принадлежит к числу фундаментальных явлении механик)! жидкости и газа. Её различные задачи связаны с многообразием отрывных течений: двух- и трехмерными, ламинарными и турбулентными. локальными и глобальными областями отрыва, возникающими в широком диапазоне параметров. Аэродинамика летательных аппаратов, других транспортных средств и наземных сооружении, эффективность работы разного рода технических устройств и применение химических технологии, использующих течения жидкостей и газов - области в которых важная роль принадлежит отрыву пограничного слоя. Прогнозирование отрывных течений и разработка методов управления ими -вопросы, на решение которых направлены экспериментальные и теоретические работы других авторов, выполненные до сих пор и продолжающиеся в настоящее время.

Данная работа объединяет результаты исследовании течений, возникающих при отрыве ламинарного пограничного слоя в потоке несжимаемого газа - локальных отрывных областей или т.н. "отрывных пузырен". Фундаментальным свойством таких течений является их гидродинамическая неустойчивость, возникающая уже при сравнительно небольших числах Рейнольдса. В условиях неустойчивости ламинарный отрыв сопровождается турбулизациен течения и область отрыва формируется в "переходном" режиме: как сам процесс образования так и характеристики отрывного течения оказываются зависящими от процесса ламинарно-турбулентного перехода. Подобная ситуация характерна для аэродинамики крыловых профилей и крыльев при низких числах Рейнольдса. обтекания поверхностей с расположенными па них геометрическими пеоднородностями малой высоты ( ступеньками, выступами и др.), течений в окрестности острых кромок и т.п. Возникновение локальных областей отрыва пограничного слоя в условиях гидродинамической неустойчивости и ламинарно-турбулентного перехода - проблема. вызывающая обоснованный интерес.

Традиционное направление экспериментальных работ по переходным отрывным течениям заключается в параметрическом изучении их основных характеристик в зависимости от условий возникновения отрыва. Определенные в эксперименте корреляции, в частности, данные о положении перехода к турбулентности в зоне отрыва, используются, в свою

очередь, в расчетах с использованием эмпирических соотношений. В общем случае такой подход к исследованиям отрывных течений несомненно целесообразен, однако именно в переходном режиме течения данные, полученные разными авторами, имеют значительный разброс и надежность эмпирических корреляций сравнительно невелика. Причина заключается в зависимости формирования отрывной зоны от ламинарно-турбулентного перехода, который, в свою очередь, является сложным процессом, чувствительным к слабым изменениям условий обтекания. Новые возможности в построении более точных, по сравнению с существующими, моделей отрывных течений, а также, в развитии перспективных методов управления отрывом пограничного слоя могут быть получены при изучении самого по себе ламинарно-турбулентного перехода за точкой отрыва и сопутствующих ему явлений, с которыми взаимосвязано образование отрывных областей, их средние во времени и нестационарные характеристики.

Изложенным выше состоянием дел обусловлена цель работы. Она заключалась в систематическом экспериментальном изучении собственно тех процессов и явлений, вызванных гидродинамической неустойчивостью, которые протекают в областях отрыва ламинарного пограничного слоя, формирующихся в переходном режиме течения в условиях низкой возмущенности набегающего потока.

Научная новизна. В настоящей работе первые выполнено детальное исследование нестационарных характеристик отрывных течений путем экспериментального моделирования волновых явлений, сопровождающих отрыв пограничного слоя. При этом получены следующие новые научные результаты:

- определены основные характеристики возмущений малых амплитуд, которые нарастают на начальном этапе перехода к турбулентности в отрывных зонах, и зависимость устойчивости течений от условий возникновения отрыва пограничного слоя;

- получено экспериментальное подтверждение примененимости линейного приближения локальной теории гидродинамической устойчивости для описания свойств колебаний, развивающихся в областях отрыва;

- установлены пути возбуждения волн неустойчивости отрывных течений акустическими колебаниями потока и влияние геометрии течения на эффективность генерации возмущений;

- воспроизведены ключевые явления в процессе перехода к турбулентности на участке нелинейных амплитуд возмущеншТ; определены особенности нелинейной стадии развития возмущений ламинарного течения в областях отрыва;

- получены уточненные представления о характерной для переходных областей отрыва зависимости средних во времени и пульсационных характеристик течения от процесса турбулизации, которая связана с обратным (вверх по потоку) атиянием возмущенного течения;

- предложены физические механизмы воздействия колебаний на отрывное течение в задаче управления ламинарным отрывом с помощью внешнего периодического возбуждения, которые заключаются в их влиянии на процесс перехода к турбулентности за точкой отрыва.

Достоверность результатов обеспечена использованием в работе универсальных и отработанных методов экспериментального исследова-пия, повторяемостью результатов, полученных в опытах, проведенных в разное время. Результаты работы 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 В итоге проведенного цикла исследований сформировано комплексное представление о процессах, протекающих в локальных отрывных зонах, которые обусловлены фундаментальным свойством неустойчивости отрывных течений. Полученные в работе данные обосновывают применимость подходов, используемых в теории для описания возбуждения и развития возмущений ламинарных пограничных слоев, к течениям рассмотренного класса, служат исходным экспериментальным материалом, необходимым для построения новых уточненных моделей переходных отрывных течений и разработки перспективных методов управления отрывом потока.

Апробация работы. Результаты выполненного цикла экспериментальных исследовании докладывались автором и обсуждались на Всесоюзной школе-семинаре по нелинейным задачам в теории гидродинамической устойчивости, Москва, 1980, 1982; семинаре "Синтез численных и асимптотических методов исследования отрывных течений",

Киев, 1980; Всесоюзном симпозиуме по физике акустико-гидродинамн-ческих явлений и онтоакустике, Ташкент, 1982; симпозиумах ШТАМ по ламинарно-турбулентному переходу, Новосибирск, 1984, Тулуза, 1989; симпозиуме ШТАМ по отрыву пограничного слоя, Лондон, 1986: коллоквиуме ЕиготесЬ по неустойчивости пограничного слоя, Эксетер, 1987; Всесоюзном семинаре "Отрывные и струнные течения", Новосибирск, 1988; Всесоюзном семинаре по гидродинамической устойчивости и турбулентности, Новосибирск, 1989; школе-семинаре ЦАГИ "Механика жидкости и газа", Москва, 1990; симпозиуме ШТАМ по отрывным течениям и струям, Новосибирск, 1990; центральном коллоквиуме отделения Немецкого аэрокосмического общества в Геттингене, 1993; 2-м Сибирском семинаре по устойчивости гомогенных и гетерогенных жидкостей, Новосибирск, 1995; семинаре по гидромеханике в Техническом университете Берлина, 1995. Результаты проведенных исследований опубликованы в [1 - 34].

Личный вклад диссертанта в работы, выполненные в соавторстве, заключается в его непосредственном участии в исследованиях на всех стадиях их проведения, обработке и оформлении полученных данных. В этих работах автору диссертации принадлежат: постановка части экспериментов по линейной устойчивости отрывных течений, публикации [16, 20, 33], нелинейным свойствам колебаний, [17, 23], эффектам обратного влияния возмущений в областях отрыва пограничного слоя [16, 20, 24]; сопоставление полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными других авторов [16,20, 21, 23, 25, 30, 33]; обобщения результатов исследований, сделанные в [21,25, 30, 34].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы из 207 источников. Общий объем работы составляет 244 стр, включая 106 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определяется объект исследований, формулируется их цель и излагается общий подход к выполнению работы. В задаче изучения неустойчивости отрывных течений и связанных с этим явлений выделяются несколько относительно самостоятельных вопросов, рис.1. Они

б

включают: развитие малых возмущений в начальной стадии процесса перехода - линейную устойчивость (1); генерацию волн неустойчивости, нарастающих в областях отрыва, возмущениями внешнего потока (2); нелинейные явления - взаимодействия возмущений на участке больших амплитуд колебаний (3). Эти аспекты традиционны для исследований ла-минарно-турбулептного перехода в конвективно неустойчивых пограничных слоях. Наряду с ними рассматривается специфическое свойство переходных областей отрыва, заключающееся в обратном (вверх по потоку) влиянии возмущений на поле скорости течения (4). Неустойчивость отрывных течений п взаимосвязь их формирования с процессом ламинарно-турбулентного перехода открывают возможность управления отрывом пограничного слоя путем внешнего периодического воздействия слабой интенсивности. В работе обсуждаются физические основы данного метода управления (5). Результаты, полученные в рамках перечисленных выше задач, изложены соответственно, в главах 2-6 диссертации.

Первая глава посвящена методическим вопросам. В ней перечислены аэродинамические установки, в которых были выполнены исследования: эксперименты проводились при низких дозвуковых скоростях потока в малотурбулентной аэродинамической трубе Т-324 ИТПМ СО РАН, аэродинамической трубе МТ-324 ИТПМ СО РАН и малой дозвуковой аэродинамической трубе Института гидромеханики отделения Немецкого аэрокосмического общества, г. Геттинген. Основная часть работы была выполнена в установке Т-324.

В опытах использовался ряд экспериментальных моделей, обтекание которых сопровождалось возникновением локальных областей отрыва ламинарного пограничного слоя. Исследовались плоские течения: отрыв на прямых крыльях, в угловых конфигурациях и за элементами неровности обтекаемой поверхности; осесимметричное течение за уступом на теле вращения, расположенного по потоку; "квазитрехмерные" течения: область отрыва на скользящем крыле и за прямолинейным изломом поверхности.

Методический подход, принятый в настоящей работе для исследования круга вопросов, сформулированных во введении к работе, заключался в моделировании изучаемых явлений возбуждением в зоне отрыва колебании с контролируемыми свойствами. Для генерации возмущений завихренности использовались несколько методов, применяемых в ис-

следованиях неустойчивости и ламннарно-турбулентного перехода в течениях несжимаемого газа. Монохроматические волны генерировались вибрирующей лентой, расположенной в пограничном слое, и акустическими возмущениями внешнего потока. С помощью т.н."точечного источника" возбуждались пространственные волновые пакеты гармонических во времени колебаний. В экспериментах по управлению срывом потока с передней кромки крыла внешними колебаниями последние возбуждались через узкую поперечную щель в поверхности модели.

Основным средством определения характеристик изучаемых течений в выполненных экспериментах был термоанемометр. Скорость течения в областях отрыва (средняя во времени и пульсационная компоненты) измерялась однониточными, неподвижными при получении данных в фиксированной точке потока датчиками. Исследуемые области отрыва характеризовались малой скоростью возвратного течения ( - 1 % скорости внешнего потока) и низким уровнем естественной нестационарности (с амплитудой пульсации 0.3 -г 0.4 %). В этих условиях термоанемометри-ческая методика была применима для получения необходимых количественных данных в основной части отрывной зоны за исключением узкого пристенного слоя. Сигнал с датчика термоанемометра подвергался аналоговой и цифровой обработке.

Прочие методы определения характеристик течений, применявшиеся в выполненных экспериментах, включали пневмометрические исследования и дымовую визуализацию, использованную в качестве дополнительного средства.

Во второй главе изложены результаты изучения устойчивости течений в локальных отрывных зонах по отношению к колебаниям малых амплитуд. В ней последовательно рассматриваются свойства устойчивости плоских течений, влияние осевой симметрии на характеристики устойчивости и развитие колебаний малых амплитуд в квазитрехмерных отрывных течениях.

Подробное исследование основных характеристик волн неустойчивости проведено в плоских течениях, возникающих в различных геометрических условиях. Установлено, что до тех про пока амплитуда возмущений достаточно мала (не превышает 1-2 % скорости внешнего течения) они ведут себя линейно по амплитуде. В рассматриваемых течениях линейность колебаний является их нетривиальным свойством в силу того, что поле скорости во всей зоне отрыва взаимосвязано с переходом к

турбулентности, который, в спою очередь, зависит от начальной амплитуды волн неустойчивости. Полученные в работ<Гданпые объясняют эту особенность тем. что зависимость среднего течения от ламинарно-тур-будентного перехода выражается в изменении интегральных характеристик зоны отрыва - её протяженности и поперечного размера, тогда как локальные свойства течения в слое сдвига на границе области циркуляции. где происходит усиление возмущении, постоянны.

Возмущения ламинарного течения, развивающиеся за точкой отрыва представляют собой бегущие волны, распространяющиеся в направлении потока, имеющие специфическую форму - распределения амплитуды и фазы колебаний поперек отрывной зоны - и близкое к экспоненциальному пространственное нарастание, рис.2. Отрыв пограничного слоя сопровождается дестабилизацией течения, инкременты возмущений возрастают с увеличением поперечного размера отрывной области - расстояния от оторвавшегося слоя до стенки. Обнаруженная особенность дисперсионных свойств возмущений заключается в слабой зависимости фазовой скорости распространения двумерных волн от частоты колебаний и продольного волнового числа от направления фазового фронта плоских трехмерных волн. Проведено качественное и количественное сопоставление полученных в работе экспериментальных данных с имеющимися результатами расчетов по теории устойчивости. Свойства колебаний, нарастающих в областях отрыва пограничного слоя, хорошо предсказываются в рамках линейного приближения локальной теории гидродинамической устойчивости, развитой для описания начальной стадии перехода к турбулентности в пристенных и свободных пограничных слоях.

Исследование двумерных отрывных течений было продолжено в осс-симметричиой задаче отрыва потраничного слоя за уступом поверхности тела вращения, расположенного вдоль потока. Изучалась устойчивость течения по отношению к осесимметричной моде колебаний. В результате было установлено, что осевая симметрия оказывает стабилизирующее влияние - приводит к уменьшению скоростей нарастания возмущении I! направлении потока. Определенные в настоящих экспериментах характеристики малых колебаний согласуются, так же как и в плоских двумерных течениях, с ре;ультатами расчетов по линейной теории устойчивости.

Под "квазитрехмернымн" подразумеваются зоны отрыва, возникающие на скользящих крыльях и в подобных ситуациях. От двумерных

отрывных областей их отличает трехмерность поля средней скорости, которое раскладывается на основную, в направлении внешнего потока, и поперечную к нему компоненты. С поперечным течением может быть связана дополнительная неустойчивость пограничного слоя, которая, в частности, приводит к дестабилизации течения на скользящем крыле в области отрицательного градиента давления. Возможное влияние поперечного течения на развитие малых возмущений, вызывающих ламинар-но-турбулентный переход в зоне отрыва, изучалось в следующих экспериментах. Исследовались отрывные течения в области неблагоприятного градиента давления на скользящем крыле, и за прямолинейным изломом обтекаемой поверхности, расположенным под углом к направлению потока. Полученные результаты показали, что нарастание колебаний малых амплитуд, приводящих к ламинарно-турбулентному переходу, происходит, как и в двумерном случае, в слое сдвига на границе области циркуляции и определяется свойствами устойчивости компоненты основного течения; вторичное течение, максимум скорости которого расположен ближе к поверхности тела, не оказывает заметного влияния на развитие возмущений ламинарного течения.

В третьей главе обсуждаются результаты исследований возбуждения волн неустойчивости, нарастающих в областях отрыва, возмущениями внешнего потока. В течениях несжимаемого газа основными источниками собственных колебаний сдвигового слоя являются возмущения завихренности набегающего потока, акустические волны и вибрации поверхности. В настоящих экспериментах изучалась акустическая генерация волн неустойчивости. Цель этой части работы заключалась в определении возможных путей их возбуждения в зависимости от условий возникновения отрыва пограничного слоя. Рассмотрены две задачи: генерация колебаний в зоне отрыва от гладкой поверхности на участке положительного градиента давления во внешнем потоке (обтекание прямого и скользящего крыльев) и при отрыве на локальных геометрических неоднородностях течения (двумерных уступах и выступах поверхности плоской пластины), рис.3.

Результаты исследования показали, что в первом случае, при отрыве потока от гладкой поверхности, акустическая генерация возмущений осуществляется в пограничном слое выше по потоку отрывной зоны. Волны, возбужденные в начале участка неблагоприятного градиента давления, имеют максимальный интеграл усиления до области отрыва и оп-

ределяют дальнейший процесс ламинарно-турбуленткого перехода, рис.За. Генерация возмущений в окрестности отрывной зоны, при этом, не наблюдается. В ито;е. реализуется один из возможных путей возбуждения, заключающийся в генерации возмущений завихренности до области отрыва и их последующей трансформации в волны неустойчивости отрывного течения.

ГТри отрыве пограничною слоя на локальных геометрических неод-нородностях течения (острых кромках и элементах неровности обтекаемой поверхности) последние являются одновременно источниками возмущений завихренности, которые генерируются на неоднородностях акустическими колебаниями потока. Выполненное исследование показало, что в этих условиях реализуется другой способ возбуждения, неальтернативный предыдущему, при котором волны неустойчивости порождаются вблизи точки отрыва, рис. 36. Эффективность генерации зависит от геометрии элемента неоднородности: в частности, начальные амплитуды возбужденных колебаний в области отрыва за уступом поверхности примерно вдвое выше, чем в отрывной зоне за выступом, при прочих равных условиях.

Линейное приближение теории устойчивости, правомерное для описания начальной стадии процесса перехода к турбулентности, теряет применимость в области больших амплитуд колебаний. Здесь компонента возмущения определяется нелинейными эффектами - волновыми взаимодействиями. Результаты исследования основных нелинейных явлений при переходе к турбулентности в локальных зонах отрыва ламинарного пограничного слоя изложены в четвертой главе.

В двумерных течениях смоделированы взаимодействия колебаний, приводящие к формированию сплошного, турбулентного спектра пульсаций. Один М5 возможных механизмов стохастиззции, заключается в субгармоническом возбуждении - явлении, известном из работ по лами-нарно-турбулентному переходу в пристенных и свободных пограничных слоях, рис.4а. В этом случае разрушение ламинарного течения происходит в результате резонансного параметрического усиления фоновых низкочастотных пульсаций колебаниями "основной частоты". Выполненное исследование показало, что при переходе к турбулентности в локальных отрывных зонах реализуется взаимодействие данною типа. Особенностью субгармонического резонанса в настоящих условиях является усиление низкочастотных колебаний в широком волновом спекчре. как двумерных

так и трехмерных волн. Б этом отношении процесс перехода в областях отрыва аналогичен протекающему в свободных сдвиговых течениях. Другой возможный путь заполнения частотного спектра пульсаций в нелинейной области перехода - т.н. "комбинационные взаимодействия" спектральных компонент волнового пакета колебаний, усиленного на предшествующем этапе линейного развития возмущений. В настоящих экспериментах этот сценарий стохастизации течения был воспроизведен при одновременном возбуждении в зоне отрыва нелинейных волн двух частот. В этом случае процесс перехода к турбулентности выглядит как последовательное насыщение спектра пульсаций комбинационными гармониками, рис.4б.

Полученные экспериментальные результаты говорят о том, что в за-висимости'от начальных условий - частотно-волнового спектра возмущений, сформированного в области их линейного развития, на участке нелинейных амплитуд колебаний возможны различные режимы течения. Переход к турбулентности, включавший генерацию субгармоники с последующим быстрым разрушением ламинарного течения, наблюдался при относительно гладком спектральном распределении (гармоническом возбуждении слабой интенсивности). С ростом начальной амплитуды колебаний характер процесса перехода изменяется, рис.4в. В зоне отрыва формируется двумерное нелинейное возмущение, представленное в спектре пульсаций колебаниями основной частоты и её высшими гармониками. Дальнейшее развитие перехода выражается в постепенном нарастании амплитуды колебаний сплошного спектра - заполнении спектральных интервалов между гармониками основной волны.

Исследование нелинейных явлений при переходе к турбулентности было продолжено в отрывной зоне на скользящем крыле. Результаты показали, что при наличии в области отрыва вторичного течения основные нелинейные эффекты остаются, в основных чертах, такими же как и при отрыве двумерного пограничного слоя. Развитие возмущений определяется свойствами течения в слое сдвига на границе отрывного пузыря, где поперечная компонента средней скорости относительно мала и, по меньшей мере в качественном отношении, не оказывает влияния на процесс перехода.

Пятая глава посвящена эффектам обратного влияния возмущенного течения в областях отрыва пограничного слоя. Общим свойством переходных отрывных течений является зависимость поля скорости во

всей 'юно отрыва, включая ее ламинарный участок, от перехода к турбулентности, происходящего ниже по потоку в пределах отрывной области или вблизи нее, рис.5. Простейшая физическая модель, используемая в полуэмпирических расчетах подобных течений, предполагает однозначное соответствие распределения скорости в зоне отрыва no.'uv женшо перехода к турбулентности. Уточнение имеющихся представлений о ялиянии неустойчивости и ламинарно-турбулентного перехода на .характеристики течения в отрывных областях было целью экспериментов результаты которых описаны в этой главе.

Исследование проводилось для отрывных течений за двумерными элементами неровности поверхности пластины, расположенной вдоль потока. Первая часть экспериментов была выполнена для выяснения того существует ли корреляция среднего течения в зоне отрыва с положением перехода. Процедура исследования заключалась в стимулировании процесса перехода, который завершался за областью присоединения оторвавшегося слоя, различными способами: возбуждением волн неустойчивости в зоне отрыва и использованием турбулизатора. помещенного за областью присоединения. Одновременно проводились измерения среднего течения в зоне отрыва. В результате было установлено, что оно не имеет однозначной связи с положением "точки перехода", определенной стандартным образом. Представление о том. что среднее течение в областях отрыва скоррелиронано с положением перехода может служить "первым приближением" к реальности; в действительности оно зависит от того чем вызван переход к турбулентности, т.е. от самого по себе процесса турбулимции.

Далее атияние возмущений, нарастаюищх в области отрыва, на средние во времени характеристики течения было исследовано в условиях при которых отрывная зона формировалась в ламинарном режиме, вне связи с переходом к турбулентности. Эксперименты показали, что о течении ламинарном, но. вместе с тем, неустойчивом, возникает аналогичное явление. В данном случае изменение поля скорости в зоне отрыва вызывается возмущением, усиленным в её прецетах до нелинейной амплитуды Таким образом, зависимость среднего течения в локатьны.ч областях отрыва от развивающихся в них возмущений, npireущая переходным отрывным течениям, может иметь место и в ламинарных течениях, т.е. без перехода к турбулентности в отрывной зоне либо вблизи неё.

Другой эффект обратного влияния, обнаруженный в настоящих экспериментах, заключается в нарушении суперпозиции волн неустойчивости, нарастающих в зоне отрыва, со спектром нерегулярных пульсаций скорости на начальном участке течения. Генерация колебаний малой амплитуды в отрывном течении сопровождается подавлением фоновых низкочастотных возмущений вблизи точки отрыва, где возбужденная волна ведет себя во всех отношениях линейно по амплитуде. Выполненное исследование показало, что данное явление не связано с локальными взаимодействиями колебаний, а имеет такую же природу как и в случае воздействия возмущений на поле средней скорости течения. Подавление спектрального фона вызвано влиянием возмущений против направления потока: спектр пульсаций вблизи точки отрыва включает отклик на нестационарность течения в зоне присоединения, которая, в свою очередь, зависит от начальною спектра колебаний.

Фундаментальные свойства отрывных течений, связанные с их неустойчивостью, дают возможность упраалять отрывом ламинарного потока, используя внешнее периодическое возбуждение отрывного течения. Необходимый эффект - уменьшение размеров зоны отрыва - достигается тем, что управляющие колебания воздействуют на динамику оторвавшегося слоя и, в конечном счете, на средние во времени характеристики течения. Разные версии данного метода рассматривались другими авторами в задаче предотвращения срыва потока с передней кромки крыла, расположенного под большим углом атаки: для возбуждения применялись внешние акустические волны и возмущения от локализованных источников колебании. В итоге был установлен механизм управления отрывом потока внешними акустическими колебаниями. В настоящих экспериментах изучались механизмы воздействия на срыв потока возмущений, генерируемых локально через узкую поперечную щель в поверхности крыла, расположенную вблизи его передней кромки. Полученные результаты изложены в шестой главе диссертации.

Исследование проводилось на прямом крыле, расположенном при углах атаки, близких к критическому. В этом случае предотвращение срыва потока с передней кромки возможно при сравнительно небольших амплитудах воздействия в широком диапазоне частот колебаний; в нем выделяются несколько областей относительно эффективного возбуждения, рис.6. Дальнейшее исследование заключалось в выяснении того

каким образом колебания различных частот взаимодействуют с отрывным течением. Результаты экспериментов показали,-что при "высокочастотном" возбуждении реализуется механизм управления, известный и 5 работ других авторов по воздействию внешних акустических котебапчй на срыв потока. Сокращение даны отрыва происходит вследствие к-нерации возмущений из диапазона линейной неустойчивости течения, таким образом стимулируется переход к турбулентности в оторвавшемся слое и его присоединение. Относительная эффективность "субг армонического" (относительно высокочастотного) возбуждения объясняется, в этом случае, свойственной пристенным и свободным . сдвиговым течениям чувствительностью процесса ламинарно-турбулситного перехода к генерации субгармоник!! колебаний, обладающих максимальными инкрементами в области линейного усиления. Воздействие "низкочастотного" возбуждения слабой интенсивности на отрывное течение также сводится, в предложенной трактовке полученных данных, к стимулированию процесса перехода в оторвавшемся слое, но не в результате увеличения начальной амплитуды возмущений, нарастающих в зоне отрыва, а вследствие периодической модуляции локальных свойств устойчивости течения.

Итог работы подводится в Заключении. В настоящей работе путем экспериментального моделирования выполнено систематическое изучение физических явлении, связанных с гидродинамической неустойчива стью течения и переходом к турбулентности в областях отрыва ламинарного пограничного слоя, возникающих в диапазоне переходных чисел Рейнольдса в маловозмущенном потоке. Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Определены свойства малых возмущений ламинарного течении, пространственное усиление которых сопровождается переходом к турбулентности в областях отрыва пограничного слоя. Колебания, нарастающие в отрывных зонах, характеризуются большими инкрементами, сопоставимыми со скоростями усиления возмущений п свободных сдвиговых течениях, и слабой дисперсией скорости распространения в широком частотно-волновом спектре. Неустойчивость течения возрастает с увеличением толщины зоны отрыва, осевая симметрия является стабилизирующим фактором. При отрыве трехмерного пограничного слоя развитие возмущений в области отрыва определяется устойчивостью основного, в направлении внешнего потока, течения.

2. Полученные результаты свидетельствуют о том. что на начальной стадии усиления возмущения ведут себя линейно по амплитуде. Сопоставление данных настоящих экспериментов с результатами расчетов показывает, что амплитудные, фазовые характеристики и пространственное развитие возмущений удовлетворительно описываются локальной теорией гидродинамической устойчивости, развитой применительно к другим открытым системам - пристенным и свободным пограничным слоям.

3. Установлены возможные пути генерации волн неустойчивости акустическими колебаниями потока. Первый из них реализуется при отрыве течения от гладкой поверхности: возмущения возникают в по--граничном слое выше по потоку области отрыва, трансформируясь далее в собственные колебания отрывного течения. Другой путь возбуждения, неальтернативЕшш предыдущему, сопутствует отрыву на локальных геометрических неоднородностях обтекаемой поверхности: в этом случае волны неустойчивости порождаются в окрестности точки отрыва. Количественные результаты исследования связывают эффективность генерации с геометрическими условиями возникновения отрыва и могут быть использованы в теории для тестирования методов расчета начальной амплитуды волн неустойчивости.

4. Воспроизведены явления, протекающие в областях отрыва на стадии нелинейного развития возмущений. Определено влияние начального спектра пульсаций на процесс перехода к турбулентности. Возможные пути стохастизации течения в отрывной зоне включают субгармоническое возбуждение и комбинационные взаимодействия спектральных гармоник. Установлено, что генерация еубгармоники приводит к усилению как двумерных так и трехмерных волн; в этом отношении переход к турбулентности в областях отрыва аналогичен протекающему в свободных пограничных слоях. Появление компоненты вторичного течения в зоне отрыва не вызывает качественных отличий процесса перехода от происходящего в двумерном течении.

5. Получены новые, уточненные представления о влиянии возмущенного течения в зоне перехода к турбулентности против потока на поле скорости вблизи точки отрыва. Средние и нульсационные характеристики течения на ламинарном участке отрывной зоны не связаны однозначное положением точки перехода, а зависят от самого по себе процесса турбулизацин - развития колебаний за точкой отрыва. Результаты показывают, что обратное влияние возмущений осуществляется.

также, в ламинарных областях отрыва с неустойчивым течением безотносительно к ламинарно-турбулентному переходу. В "чистых", модельных условиях получены количественные характеристики взаимодействия колебаний со средним течением.

6 Выполнено исследование физических основ активного метода управления отрывом ламинарного потока путем периодического возбуждения течения локализованным источником колебаний. В задаче предотвращения срыва потока с передней кромки крыла предложены механизмы взаимодействия возмущений с течением, объясняющие эффект управления - сокращение размеров отрывной зоны. При слабой интенсивности возбуждения они сводятся к влиянию управляющих колебаний на процесс перехода к турбулентности за точкой отрыва. В зависимости от частоты воздействия результат управления достигается возбуждением волн неустойчивости оторвавшегося слоя, генерацией колебаний на частоте их субгармоники и низкочастотной модуляцией локальных характеристик устойчивости течения.

Вошедшие в диссертацию результаты опубликованы в следующих

работах.

1. Довгаль Л.В., Козлов В.В. Влияние акустических возмущений на структуру течения в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления. - Новосибирск, 1981. - 19 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб, озд-ние. Ин-т теорет. и прикл. механики; №8-81). 2 Довгаль A.B.. Козлов В.В. Восприимчивость отрывных течений к акустическим возмущениям // Тезисы докладов III Всесоюзного симпозиума по физике акусгико-гидродинамических явлений и опто-акустике. - Таппсент, 1982. - С. 32.

3. Довгаль A.B., Козлов В.В. Устойчивость отрывного течения при обте-

кании поверхности с точкой излома // Докл. All СССР. - 1983. -Т. 270. - С. 1356-1358.

4. Довгаль A.B., Козлов В.В. Влияние акустических возмущений на струк-гуру течения в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давлений // Изв. АН СССР. Мех-ка жидк. и газа. - 1983. - № 2. -С. 48-52.

5. Довгаль A.B. Устойчивость отрывного течения за точкой излома пло-

ской поверхности // Гидродинамика одно- и двухфазных потоков. -Новосибирск, 1983. - С. 47-52.

(>. Довгаль A.B., Козлов B.B. Устойчивость отрывного течения в двугранном угле // Изв. СО АН СССР. Серия техн. наук. - 1984. - № 4. -Вып. 1. - С. 47-51.

7. Гилёв В.М., Довгаль A.B.. Козлов В.В. Развитие волнового пакета в пограничном слое с градиентом давления. - Новосибирск, 1984. - 15 с.

- (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т теорет. и прикл. механики; №6-84).

8. Dovgal A.V. Evolution of vortical disturbances in flow with laminar separ-

ation i I Laminar-Turbuleni Transition / Ed. V.V .Kozlov. - Springer, 1985.

- P. 359-366.

9. Довгаль A.B.. Козлов B.B., Симонов O.A. Развитие возмущений ма-

лых амплитуд в пограничном слое скользящего крыла. - Новосибирск, 1985. - 29 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т теорет. и прикл. механики; № 34-85). lü Dovgal Л.V., Kozlov V.V.. Simonov O.A. Experiments on hydrodynamic instability of boundary layers with separation // Boundary-Layer Separation / Eds. F T.Smith. S.N.Brown. - Springer, 1987. - P. 109-130. 11. Довгаль A.B., Козлов B.B. Управление отрывными течениями // Моделирование в механике - Новосибирск, 1987. - Т. 1 (18). - № 2. -С. 46-56.

12 Boiko Л.V., Dovgal A.V., Kozlov V.V. Nonlinear stage of transition in laminar separation bubble // Boundary-Layer Instability and Transition. Programme Details and Abstract s of Papers, Euromech 228. - Univ. of Exeter, England. 1987. 13. Довгаль A.B., Козлов В В.. Симонов O.A. Развитие пространственного волнового пакета возмущений в пограничном слое скользящего крыла // Изв. СО АН СССР. Серия техн. наук. - 1988. - № 11. -Вып. 3. - С 43-47.

14 Довгаль A.B.. Козлов В В.. Симонов O.A. Устойчивость трехмерного течения с отрывом потока от излома поверхности // Изв. СО АН СССР. Серия техн. наук. - Í988. - № 4 - Вып. 1. - С. 17-21.

15. Довгаль A.B.. Козлов В В.. Симонов O.A. Звуковое возбуждение возмущений ламинарного течения на скользящем крыле // Современные проблемы механики жидкости и газа. Тезисы докладов научной школы-конференции. - Иркутск. 1988. - С. 220-221.

16. Бойко A.B.. Довгаль A.B.. Козлов В.В., Симонов O.A.. Щербаков В А Отрыв ламинарного течения на двумерном препятствии в

пограничном слое. - Новосибирск, 1988. - 24 с. - (Препринт / АН СССР.'Сиб. отд-ние. Ин-т теорег. и прикл. механики; №7-88).

17. Бойко A.B.. Довгаль A.B., В.В.Козлов В.В. Нелинейные взаимодействия возмущений при переходе к турбулентности в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя // Изв. СО АН СССР. Серия техн. наук. - 1988. - № 18. - Вып. 5. - С. 44-49.

18. Довгаль A.B., Козлов В.В., Симонов O.A. Возбуждение звуком колебаний пограничного слоя на скользящем крыле // Учёные Записки ЦАГИ. - 1989. - T. XX. - № 6. - С. 21-26.

19. Бойко A.B., Довгаль A.B., Козлов В В., Щербаков В.А. Влияние неровностей поверхности на устойчивость пограничного слоя и его восприимчивость к звуковым колебаниям потока // Всесоюзный семинар по гидродинамической устойчивости и турбулентности, тезисы докладов. - Новосибирск, 1989. - С. 122-123.

20. Бойко A.B., Довгаль A.B., Козлов В.В., Щербаков В.А. Неустойчивость течения в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя на малой неровности поверхности // Изв. АН СССР. Мех-ка жидк. и газа. - 1990. - № 1. - С. 16-22.

21. Dovgal А.V., Korfov V.V. Hydrodynamic instability and receptivity of small-scale separation regions // Laminar-Turbulent Transition / Eds. D.Amal, R.Michel. - Springer, 1990. - P. 523-531.

22. Бойко A.B.. Довгаль A.B., Козлов В.В., Щербаков В.А. Неустойчивость и восприимчивость пограничного слоя в окрестности двумерных неоднородностей поверхности // Изв. СО АН СССР. Серия техн. наук. - 1990. - Вып. 1. - С. 50-56.

23. Boiko А.V., Dovgal A.V., Simonov O.A., Scherbakov V.A. Effects of laminar-turbulent transition in separation bubbles // Separated Flows and JetV Eds. V.V.Kozlov, A.V.Dovgal. - Springer, 1991. - P. 565-572.

24. Бойко A.B., Довгаль A.B., Щербаков В.А. Воздействие малых возмущений на течение в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя. -Новосибирск, 1991. - 20 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. Инт теорет. и прикл. механики; № 5-91).

25. Бойко A.B., Довгаль A.B. Неустойчивость локальных отрывных течений к возмущениям малых амплитуд // Сибирский физ.-техн. журн. - 1992. - Вып.З. - С. 19-24.

26. Dovgal А.V., Kozlov V.V. Control of laminar separation by periodic forcing H Proc. of the Fifth Asian Congress of Fluid Mechanics / Eds. K.-S. Chang, D.H.Choi. - Taejon, Korea, 1992. - P. 562-565.

27. Dovgal A.V., Kozlov V.V. Experimental modelling of instability in laminar separated l'lows and their response to periodic excitation // Recent advances in experimental lluid mechanics / lid. P.G.Zliuang. -Intern. Acad. Publishers. 1992. - P. 243-248.

28. Довгаль А.В., Козлов В.В. Отрыв и гидродинамическая неустойчивость // Турбулентный пограничный слой. - Москва, ЦАГИ. 1992. -С. 152-159.

29. Dovgal A.V. Control of leading-edge separation on an airfoil by localized excitation. DLR-Forschungsbericht. - Goettingen. 1993. - No. 93-16. - 54 P

30. Dovgal A.V., Kozlov V.V., Michalke A. Laminar boundary-layer separation: instability and associated phenomena II Progress Aerospace Sci. -1994. - Vol. 30. - P. 61-94.

31. Довгаль А.В. Управление отрывом дозвукового потока внешним периодическим возбуждением: основные механизмы // Теплофизика и Аэромеханика. - 1994. - Т. 1. - №4. - С. 323-329.

32. Довгаль А.В. Неустойчивость осесимметричного течения в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя: эксперименты // Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей, тезисы докладов 2-го Сибирского семинара. - Новосибирск. 1995. - С. 18.

33. Dovgal A.V., Kozlov V.V., Michalke A. Contribution to the instability of laminar separating flows along axisyimnetric bodies. Part II: Experiment and comparison with theory // European Journ. of Mech., B/Huids. - 1995. - Vol. 14. - P. 351-365.

34. Dovgal A.V., Kozlov V.V. On nonlinearity of transitional boundary-layer flows // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. - 1995. - Vol. 352. - P. 473-482.

Автор работы благодарен своим коллегам. В.В.Козлову, инициировавшему данное направление исследований в ИТПМ СО РАН. в сотрудничестве с которым получена большая часть результатов, вошедших в диссертацию, А.В.Бойко, В.М.Гилеву. А.Михалке. О.А.Симонову и В.А.Щербакову - другим соавторам публикаций по теме работы Признательность автора адресована сотрудникам ИТПМ СО РАН с которыми у него состоялись полезные дискуссии на разных стадиях проведения исследований. Частично результаты работы были получены при поддержке Фонда Александра фон Гумбольдта.

а

ламинарный пограничный слой

яаминарно-

турбулентный перенод

турбулентное течение

отрыв

зоне циркуляции

присоединение

возбуждение волн неустойчивости внешними возмущениями

¡Т) линейная [з] взаимодействия

неустойчивость нелинейным

возмущении

у?} г*

+

I

_____________

[4] обратное влияние возмущенного течения

{ТЗ-гЩ-о [5] управление отрывом потока внешним

периодическим возбуждением

Рис. 1. Локальная зона отрыва пограничного слоя в переходном режиме; схема течения (а), рассматриваемые в работе вопросы (б)

Рис.2. Характеристики волн неустойчивости, нарастающих в областях отрыва пограничного слоя. Типичные профили амплитуды - и' и фазы - Ф колебаний, II - распределение скорости среднего течения (а); изменение в направлении штока амплитуды (б) и фазы (в) возмущения

а

г /область генерации

1РП)1П /

1 /

/ I I

СП

ч

(акустические волны

и

Рнс.З. Возбуждение волн неустойчивости в областях отрыва акустическими колебаниями потока, Гешраици возмущений в •зоне отрыва от гладкой псшерхнэсти (а) и при отрыве пограничного слоя на локальных неоднороцно-стах течения (б).

Б

1 1

2f ЗГ 4Г 5Г

Рис.4. Течение в области нелинейных амплитуд возмущений. Спектры пульсаций по частоте колебаний в режиме генерации субгармоникн (а), комбинационных взаимодействий (б), при "большой" начальной амплитуда волны неустойчивости (в).

нарастающие волны возмущают------------

течение в области присоединения

I_______________________а

обратим влияние на средние во времени и пульсвционные характеристики течения

Рис.5. Обратное влияние возмущений в -зоне отрыва пограничного слоя, схема.

Рис.6. Управление срывом штока с передней кромки крыла периодическим возбуждением течения. Минимальная амплитуда воздействия, необходимая для предотвращения срыва - А, в зависимости от частоты колебаний - Б г (1); характерные спектры пульсаций: шкет волн неустойчивости, нарастающих за точкой отрыва (2), колебания в следе за крылом (3).