Экспериментальное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при повышенном уровне турбулентности набегающего потока тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАМИНАРНО-ТУРБУЛЕНТНОГО ПЕРЕХОДА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ ПРИ ПОВЫШЕННОМ УРОВНЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ НАБЕГАЮЩЕГО

ПОТОКА

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1995

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор В. В. Козлов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

С. А. Талонов;

кандидат физико-математических наук В. А. Костомаха.

Ведущая организация: Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск.

Защита состоится " 23 " июня 1995 г. н 15 часов на заседании специализированного совета К 003.22.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН но адресу: 630090, г. Новосибирск, 90, ул. Институтская, 4/1

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке ИТПМ СО РАН

Автореферат разослан ■ ЛЛ- ■ МЛЗ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

д.ф.-м.н.

В. И. Корнилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный этап развития техники, в частности, авиационного моторостроения, ставит перед инженерами и конструкторами ряд проблем, часть из которых тесно связана с таким физическим явлением как переход ламинарной формы течения в пограничном слое над поверхностью лопаток турбин, компрессоров и вентиляторов в турбулентное состояние. Успешное решение целого ряда практических задач, таких как снижение сопротивления трения, проблемы тепломассообмена и т.п., зависит от понимания процессов зарождения вихревого, сшшно неустойчивого движения в этих пограничных слоях. Взаимодействие пограничного слоя с сильно возмущённым (турбулентным) внешним потоком характеризуется, в первую очередь, доминирующим нлиянием интенсивной вихревой составляющей над всеми остальными внешними возмущающими факторами (акустикой, вибрацией модели, неоднородностями обтекаемой поверхности, а также их комбинацией). Несмотря на заметный прогресс в изучении ламинарно-турбулентного перехода при малом уровне внешних возмущений как в экспериментальном плане, так и в теоретических и расчетных исследованиях, механизм перехода в пограничном слое, при интегральной интенсивности внешних пульсаций^ превышающей некоторое пороговое значение (сильно разнящееся от одной экспериментальной работы к другой), остаётся до сих пор непонятным и обозначается коротким английским словом bypass {"обход"). При этом подразумевается, что более ранний переход к турбулентности происходит не через процессы зарождения, линейного усиления и нелинейного развития волп неустойчивости, а через генерацию интенсивных, существенно трёхмерных возмущений в пограничном слое, индуцированных в сдвиговом пристенном течении сильно возмущенным внешним потоком. Дальнейшая пространственная эволюция этих возмущений приводит либо к ещё большему искажению течения пограничного слоя, либо'образованию уединенных турбулентных пятен.

На сегодняшний день существует два основных направления в исследовании перехода в таких условиях. Первое, наиболее распространённое - это изучение "естественного" (неконтролируемого исследователями) перехода, зависящего, в первую очередь, от особенностей установки^« которой проводится эксперимент. При этом выводы строятся на основе спектров мощности, используемых при работе со случайными процессами. В умеренном, а тем более в сильно возмущённом течении пограничного слоя основная энергия возмущённого движения содержится в области низких частот. При этом корреляция пульсаций скорости в трансверсалышм направлении указывает на существование существенно трёхмерных вихревых образований, сильно отлштющихся по своим характеристикам от волн неустойчивости, определяющих переход при малой турбулентности набегающего потока. Эксперименты

показывают, что, начиная с некоторого порогового уровня интенсивности внешних пульсаций 8, порядка 1.0 % от скорости набегающего потока U0, обнаружить волны Толлмина-Шлихтинга (Т-Щ) такими методами нельзя вследствие невозможности разделить в спектре мощности сигналы различной природы. Причинами являются отсутствие фазовой информации, с одной стороны, и одна и та же нормировка для случайных (стохастических) сигналов -с другой. Второе направление исследования "обхода" заключается в попытке ввести в возмущённый пограничный слой периодическое возмущение и, таким образом, изучить поведение и влияние на переход детерминированной составляющей сигнала. Г.Р. Грек, B.D. Козлов и М.П. Рамазанов первыми применили широко используемую при е ~ 0.0001 U0 методику контролируемых нозмущений в сильно возмущённом пограничном слое и показали возможность существования волн Т-Щ при степени турбулентности набегающего потока е > 0.01 Uu. Позже, эксперименты Вестина и др. подтвердили существование и возможное влияние на переход искусственно генерируемых двухмерных волн Т-Ш. Однако, несмотря на совпадение распределений собственных функций волн неустойчивости со случаем невозмущенного потока, осталась без объяснения, как и в экспериментах Грека с соавт., причина меньших инкрементов роста волн в случае е > 0.01 U0.

Следует подчеркнуть, что отмечеиные две экспериментальные работы, проведенные в модельной постановке на фоне многочисленных исследований "естественного" перехода, впервые позволили не только качественно, но и количественно описать поведение волн ТШ в сильно возмущённом пограничном слое. Однако, ках отмечалось выше, определяющими в переходной области пограничного слоя при повышенной степени турбулентности внешнего потока являются существенно трехмерные, низкочастотные образования, а не волны ТШ (хотя не следует a priori исключать взаимодействие между возмущениями различной природы).

Несмотря на важность изучения поведения сильно возмущённого ти раничного слоя, существует лишь несколько разрозненных экспериментальных данных но генерации и развитию локализованных возмущений умеренных и больших амплитуд, которые продемонстрировали принципиальную возможность как генерации возмущений, существенно отличающихся от пакетов волн Т-Ш и турбулентных пятен, так их взаимодействие с бегущими волнами. Все эксперименты носили качественный характер; при этом остались без ответа вопросы об устойчивости и восприимчивости пограничного слои к различного рода локализованным возмущениям, об универсальности (если она имеет место) поведения пограничного слоя при мощном локализованном воздействии на него, а также о том, насколько искусственно генерируемые в пограничном слое образования моделируют течение возмущённого пограничного слоя в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока.

Таким образом, становится необходимым изучение доминирующих при повышенной степени турбулентности вихревых структур сильно возмущенного пограничного слоя, а так/же их возможного взаимодействия с волнами неустойчивости, существование которых подтверждено уже в нескольких установках. Учитывая сложность предмета изучения и безуспешные попытки исследований в "естественных" условиях показать основные механизмы, лежащие в основе перехода при е > 0.0Шо., настало время попытаться смоделировать процесс взаимодействия интенсивных вихревых образований с пограничным слоем, приводящий к возмущению последнего с послсдуюпщм, более ранним по сравнению с малым 8, переходом. При этом, на первое место выходит изучение зарождения и развития в пограничном слое локализованных не только в пространстве, но и во времени возмущений конечных и больших амплитуд.

Целью данной работы является: экспериментальное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое на плоской пластине в условиях сильно возмущённого внешнего течения, а именно, моделирование взаимодействия локализованного в пространстве и времени вихревого образования с пограничным слоем (т.е. проблема восприимчивости пограничного слоя к существенно трёхмерным возмущениям набегающего потока). Изучение универсальности развития существенно трёхмерных изолированных возмущепий умеренных и больших амплитуд в пограничном слое, а также зависимости от начальных данных. В рамках концепции вторичной неустойчивости исследование в модельной постановке взаимодействия локализованных возмущений с высокочастотными бегущими волнами, а таьоке изучение устойчивости трёхмерного, стационарно возмущённого пограничного слоя к бегущим волнам.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые получены характеристики развития локализованных, существенно трёхмерных возмущений пограничного слоя умеренных и больших амплитуд, которые удалось получить с помощью созданной и апробированной методики сбора данных и проведения экспериментов по изучению локализованных, периодических и случайных сигналов.

2. Исследовано развитие нолн неустойчивости на ламинарных участках между турбулентными областями.

3. Впервые исследован процесс зарождения и эволюции различных локализованных возмущений в пограничном слое, вводимых как с поверхности

и

пластины, такЧ« набегающего потока и, наряду с зависимостью от начального ноля возмущений, показаны универсальные характеристики, присущие сильно возмущённому пограничному слою.

4. Впервые описаны как с локальной, так и со спектральной точек зрений все стадии взаимодействия локализованного возмущения больших амплитуд с

высокочастогным периодическим возмущением в области докритических чисел Рейнольдса. Показано, что результатом взаимодействия локализованного возмущения с затухающей волной будет трехмерный волновой пакет, пространственная эволюция которого может закончится либо возникновением уединённого турбулентного пятна, либо регенерацией узких продольных образований пограничного слоя, приводящих к гораздо более сильному поперечному искажению течения пограничного слоя, сохраняющемуся на значительном расстоянии вниз по потоку.

5. Впервые проведено сравнение структуры и пространственной эволюции изученных 3-х мерных образований в условиях их различной генерации в пограничном слое со случаем "естественно" возмущенного течения пограничного слоя при степени турбулентности набегающего потока больше 0.01 И0, продемонстрировало их не только качественное, но и количественное совпадение.

6. Впервые исследована вторичная неустойчивость и переход к турбулентности стационарно возмущённого пограничного слоя. Отмечено, что в условиях сильной поперечной модуляции пограничного слоя переход связан возникновением и усилением (на линейной и нелинейных стадиях) пакета высокочастотных бегущих волн, отличных но своим характеристикам от волн Т-Ш. Показано, что в отличие от изученного взаимодействия локализованного возмущения с волной Т-Ш, максимальные пульсации связаны с максимальным градиентом средней скорости в поперечном направлении Эи/Э/„ при этом, нелинейная стадия характеризуется возбуждением высших гармоник с последующим заполнением низкочастотной области спектра.

Достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждена путём проведения экспериментов на различных аэродинамических трубах и сопоставлением полученных данных с существующими расче тными работами.

Научная и практическая ценность. Подход, разработанный и развитый в данной работе и апробированный для исследования классического случая развития возмущений в пограничном слое на плоской пластине,впервые позволил получить количественные данные как по возникновению и разви тию локализованных возмущений умеренных и больших амплитуд, так и по их взаимодействию с возмущениями других типов (волн Т-Ш). Данная методика исследований может быть перенесена на изучение подобного рода задач в других классах течений, таких как пограничный слой на скользящих крыльях, течение Пуазейля и др.

Экспериментальные данные, полученные в работе, могут бы ть использованы и частично уже используются для апробации развиваемых методов теоретических и расчётных работ по переходу к турбулентности.

На защиту выносятся:

- методика сбора данных и проведения экспериментов по эволюции и взаимодейс твию одиночных, периодических и стохастических возмущений, включая

иолный (амплитудный и фазовый частотно-волновой) спектральный анализ полученных данных;

- результаты экспериментальных исследований по:

а) развитию волн неустойчивости между турбулентными областями;

б) зарождению и развитию локализованных возмущений в результате импульсного воздействия на пограничный слой с поверхности пластины;

в) взаимодействию зарождакицм-ося пограничного слоя плоской илаепшы с искусственным вихревым образованием набегающего потока;

г) взаимодействию локализованных возмущений тираничного слоя больших амплитуд с затухающей волной неустойчивости;

д) устойчивости сильно модулированного в поперечном направлении пограничного слоя к высокочастотным бегущим волнам.

Апробация работы ■ публикации. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАИ и представлялись на ХХХ-ой Международной Научной Студенческой Конференции (г. Новосибирск, 1992), на Семинаре по "Устойчивости и Переходу" (Рослаген, Швеция, 1993), на Ежегодной Конференции Отделения Динамики Жидкости Американской) Физического Общества (Albuquerque, New Mexico, 1993), на Международной Конференции по Методам Аэрофизических Исследований (г. Новосибирск, 1994), на Международном IUTAM-симпозиуме по ламинарно-турбулентному переходу (г. Сендай, Япония, 1994), на 2-м Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей", (Новосибирск, апрель, 1995), а также в Королевском технологическом институте (Стокгольм, Швеция, 1994) и опубликованы в 14 работах, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 155 наименований и приложения. Полный объём 328 страниц, в том числе 72 стр. рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

В главе I содержится общая постановка проблемы ламинарно-турбулентного перехода, а также приводится обзор основных теоретических и экспериментальных работ в соответствии с темой диссертационной работы. Рассматривается переход при малом уровне интенсивности внешних возмущающих факторов, характеризуемый

возникновением и эволюцией собственных вихревых возмущений пограничного слоя (волн Т-Ш). Рассматриваются существующие на сегодняшний момент экспериментальные результаты по переходу в условиях умеренной и повышенной степени турбулентности набегающего потока. Обсуждаются результаты, указывающие на существование и возможное влияние на переход волн Т-Ш, характеризующих переход при малом уровне внешних пульсаций и возникновение доминирующего над волнами неустойчивости возмущенного движения, существенно отличающегося по своим параметрам от характеристик пакетов волн Т-Ш. У казывается на необходимость изучения такого сложного явления в модельной постановке.

В главе II описывается экспериментальная установка, используемые модели, условия проведения экспериментов. Рассматриваются методика и аппаратура, разработанная для синхронизации различных типов возмущений, вводимых в noi-раничный слой.

Глава III. В определенных экспериментальных условиях переход при повышенной степени турбулентности может проходить через процесс образования турбулентных пятен непосредственно вблизи передней кромки пластины вследствие локальных отрывов пограничного слоя в этой области. Поэтому целью исследований^ обсуждаемых в данной главе}было выяснение в модельной постановке: развиваются ли волны неустойчивости, генерированные от периодического источника независимо от окружающих их турбулентных областей, или пространственное развитие и другие характеристики волн Толлмина-Шлихтинга, развивающихся на ламинарных "кусках" порядка нескольких длин волн между сильно турбулизованными областями жидкости, отличаются от параметров волны Т-Ш в невозмущенном слое Блазиуса. Эксперименты, представленные в данной главе, продемонстрировали, что основные характеристики, соответствующие волнам неустойчивости (а именно, амплитудный и фазовый профили пульсаций продольной составляющей скорости, фазовые скорости, дошны волн и кривые нарастания амплитуд волн)в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса (см. рис. 1-2) совпадают в двух случаях: когда полны ТШ, генерируемые от периодического источника, развиваются на ламинарных участках между "искусственными" двухмерными турбулентными областями и когда они отсутствуют, что указывает на идентичность волновых вихревых возмущений в обоих случаях.

В главе IV приводятся количественные результаты по генерации и развитию существенно трёхмерных возмущений пограничною слоя. Параграф 4.1 посвящен как детальному изучению процесса зарождения различных локализованных возмущений в пограничном слое и их дальнейшей пространственной эволюции, так и зависимости поведения возмущённого погранично!« слоя от параметров среднего течения и способа генерации возмущений. Было продемонстрировано, что наблюдаемые в пограничном слое узкие, вытянутые по потоку структуры, слабо расплывающиеся в if леве реальном

нанравлснии, тесно связаны со слоем нормального среднего сдвига. Более того, впервые в одной экспериментальной постановке были сгенерированы в пограничном слое и исследованы два тина локализованных возмущений, названные в предыдущих экспериментальных исследованиях как "incipient spot" и "pufF. Показано, что как крупномасштабная структура возмущённого пограничного слоя, так и скорость распространения возмущённой области одни и те же для обоих типов локализованных возмущений. При этом, основной причиной различия пространственной эволюции возмущений является их начальная интенсивность. А именно, при амплитудах ниже некоторого порогового значения имеет место детерминированная релаксация пограничного слоя в исходное невозмущённое состояние, при выше пороговых - сильно искажённый пограничный слой становится неустойчивым в области среднего сдвига к мелкомасштабным, высокочастотным стохастическим пульсациям и быстро трансформируется в уединённое турбулентное пятно.

Впервые получены количественные данные по восприимчивости пограничного слоя к интенсивному вихревому образованию набегающего потока (рис. 3). Сравнение с результатами возбуждения локализованных возмущений с поверхности пластины с использованием точечного источника показало генерацию продольных, узких структур в пограничном слое в широком диапазоне амплитуд. При этом, эволюция возмущённого пограничного слои вниз по потоку от источника возмущения происходит независимо от особенностей начального поля пульсаций, а именно:

1. Несмотря на значительные начальные амплитуды пульсаций (до десятков процентов от скорости внешнего течения U0) локализованные возмущения устойчивы в докритической (согласно двумерной линейной теории устойчивости) области;

2. Поперечный масштаб возмущённой области коррелирует с локальной толщиной пограничного слоя 6(х) и, примерно, на порядок меньше продольной протяжённости возмущения, при этом "предпочтительный" период поперечной модуляции сильно возмущённого пограничного слоя составляет порядка 26(х), рис. 4;

3. Скорости распространения переднего и заднего фронтов локализованных возмущений с учётом трёхмерности и их внутренней структуры по толщине пограничного слоя составляют 0.8-0.9 и 0.5-0.55t/o, соответственно;

4. Возмущениями с наименьшими инкрементами затухания являются стационарные искажения течения пограничного слоя с поперечной компонентой волнового вектора (= ?.тах = 1/26(х));

5. Максимум пульсаций в пограничном слое в момент пролёта локализованного возмущения наблюдается в середине пограничного слоями его положение не зависит от уровня амплитуд внешнего возмущения. Отмечено хорошее соответствие полученных результатов с наблюдениями предыдущих экспериментальных работ.

В Главе V представлены количественные данные по взаимодействию в области докритических чисел Рейнольдса локализованных возмущений, наведённых в пограничном слое интенсивным вихревым образованием набегающего потока, с квазидвумерной волной неустойчивости конечных амплитуд. Взаимодействие рассматривается как с локальной точки зрения на основе пространственно-временного поля пульсаций скорости с учётом трёхмерного характера наблюдаемого взаимодействия, так и на основе спектрального анализа полученных распределений. Показано что основной особенностью такого взаимодействия является возбуждение существенно трёхмерного волнового пакета (рис. 5) , дальнейшая эволюция которого может привести либо к возникновению уединённого турбулентного пятна в результате неустойчивости этого волнового пакета, либо к возникновению ранее изученных продольных структур пограничного слоя (рис. 6).

В Главе VI приводятся количественные результаты но устойчивости пограничного слоя, сильно модулированного в поперечном направлении элементами шероховатости, наклеенными на поверхность плоской пластины. Результаты измерений, представленные в данной главе, демонстрируют существование нескольких неустойчивостей, каждая из которых зависит от интенсивности стационарного искажения пограничного слоя, рис. 7. По крайней мере, два различных типа неустойчивых мод могут быть выделены в данном эксперименте; одна мода близка по характеристикам к плоской волне Т-Ш в двумерном пограничном слое, другая наблюдается в области высоких частот и связана с поперечной модуляцией среднего течения.

Первая мода развивается при тех же частотах и с теми же инкрементами нарастания, что и волна ТШ в пограничном слое Блазиуса, при этом её скорость распространения с = 0.5{Уо. Фронт волны имеет ту же самую поперечную периодичность, что и основное течение, при этом амплитуда, как оказалось, растёт быстрее в /щах, а не гтщ, что находится в противоречии с тем, что можно было бы ожидать из рассмотрения на устойчивость локального профиля без учёта трёхмерности течения. Вниз но потоку ТШ-мода подавляется неустойчивостью, характеристики которой сильно отличаются от параметров как плоских, так и наклонных волн ТШ. Эта мода наблюдается при значительно больших частотах, её фазовая скорость выше характерной скорости волн Т-Ш, и она, по всей видимости, носит локальный характер и связана с поперечным градиентом средней продольной скорости. Параметры этой высокочастотной неустойчивости могут быть представлены следующим образом. (1) Волна имеет максимальное усиление в 7,-нозициях между областями превышения и дефекта продольной скорости и (т.е. в гпшШе-позициях), где величина 1Эи/Э/1 имеет максимальное значение. (2) Фазовая скорость волны равна 0.био. Во всех г-позициях, максимум и'/ в нормальных распределениях наблюдается на высоте у, где и(у) = с (т.е.

в области локального no z критического слоя волны). (3) Область частот, соответствующих неустойчивым осцилляциям, находится между F = 100 и 300. (4) Переходу в турбулентное состояние предшествует стадия мощного усиления возмущений в полосе частот, соответствующей высшим гармоникам спектральных компонент возбуждаемого неконтролируемого волнового пакета (рис. 8). Вниз по потоку происходит постепенное заполнение спектра мощности до распределения полностью турбулентного пограничного слоя.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы:

1 Создана и апробирована методика проведения экспериментов по изучению процесса развития и взаимодействия возмущений различных типов (локализованных, периодических и случайных), позволяющая в режиме сбора данных, проводить их обработку, включая как частотный, так и частотно-волновой спектральный анализ.

2 Экспериментально доказано, что волны Толлмина-Шлихтинга, развивающиеся на ламинарных участках между турбулентными областями, имеют такие же характеристики (распределения собственных функций и инкременты пространственного нарастания), что и волны неустойчивости, развивающиеся при тех же условиях в отсутствие турбулентных областей.

3 Впервые показано, что в зависимости от интенсивности начального воздействия на пограничный слой в нём могут возникать два типа локализованных возмущений, названные в ранних работах как "incipient spot" и "puff*. Эти возмущения имеют одну и ту же крупномасштабную структуру и одинаковые скорости распространения переднего и заднего фронтов. Однако, при начальных амплитудах ниже некоторого порогового значения возмущение ("puff) затухает при сохранении своей структуры, при выше пороговых-возмущение ("incipient spot") становится неустойчивым к мелкомасштабным, высокочастотным пульсациям и быстро трансформируе тся в уединённое турбулентное пятно.

4 Впервые получены количественные данные по восприимчивости пограничного слоя к интенсивному вихревому образованию набегающего потока. Наряду с зависимостью внутренней структуры возникающих в пограничном слое локализованных возмущений от поведения внешнего поля пульсаций, показаны их универсальные характеристики, а именно, эти возмущения представляет собой набор вытянутых по потоку, узких в поперечном направлении структур, с характерным пространственным поперечным периодом порядка двух местных толщин пограничного слоя, приводящих к локальной модуляции в трансверсальном направлении сдвигового течения по всей толщине пограничного слоя.

5 Сравнение результатов по взаимодействию пограничного слоя с локализованным образованием набегающего потока со случаем возбуждения в пограничном слое изолированного возмущения с поверхности пластины

продсмонстрировало универсальность возникающих в пограничном слое структур. Это позволило говорить о существовании собственных образований пограничного слоя (тина "puff"), характеристики которых совпадают с возмущениями, наведёнными в пограничном слое при повышенной степени турбулентности набегающего потока.

6 Показано, что взаимодействие уединённых локализованных возмущений (затухающих "риГГ-структур) с высокочастотной волной неустойчивости в докритической области чисел Рейнольдса приводит к возбуждению существенно трёхмерного волнового пакета. При этом его дальнейшая эволюция заканчивается регенерацией продольных образований пограничного слоя, ассоциирующихся по своим характеристикам с "pufr-возмущениями больших амплитуд и приводящих к локальной, низкочастотной сильной поперечной модуляции течения пограничного слоя но всей его толщине.

7 Найдено, что в случае сильной стационарной модуляции течения пограничного слоя в трансверсальном направлении происходит эффективное возбуждение пакета высокочастотных бегунщх волн. Их пространственная эволюция проходит через стадию генерации высших гармоник и заканчивается переходом пограничного слоя в турбулентное состояние с последующим разрушением поперечной модуляции среднего течения. С помощью методики контролируемых возмущений показано, что бе1-ущие волны меньших частот, растущие в двумерном нсвозмущённом пограничном слое (волны ТШ), имеют значительно меньшие фазовую скорость и инкременты пространственного нарастания и не ответственны за переход в этом случае.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ:

1. Бакчинов А. А. "Ламинарно-турбулснтный переход при повышенной степени турбулентности набегающего потока". Материалы XXX Международной Научной Студенческой Конференции "Студент и Научно-Технический Прогресс" 1992, Новосибирск.

2. Бакчинов A.A., Грек Г.Р., Козлов В.В. "Один из механизмов возникновения турбулентных пятен". Сибирский физико-технический журнал (СФТЖ). Вып. 4 (1992) стр. 39-45.

3. Бакчинов A.A., Грек Г.Р., Козлов В.В. "Развитие локализованных возмущений типа "пафф" и "зарождающееся" пятно в безградиентном пограничном слое". Сибирский физико-технический журнал (СФТЖ). Вып.6 (1993) стр. 11-21.

4. Бакчинов A.A., Грек Г.Р., Козлов В.В. "Развитие волн неустойчивости на участках между искусственными турбулентными областями". Теплофизика и Аэромеханика. 1 (1994) No 1, стр. 45-50.

5. Бакчинов A.A., Грек Г.Р., Козлов В.В. "Экспериментальное изучение локализованных возмущений в ламинарном пограничном слое". Теплофизика и Аэромеханика. 1 (1994) No 1, стр. 51-58.

6. Bakchinov, A.A., Grek, H.R., Klingmann, B.G.B. & Kozlov, V.V. On the stability of spanwise-modulated boundary layer flows. In Workshop on Stability and Transition, Roslagen, Aug 29-31,1993.

7. Бакчинов Л.А., Грек Г.Р., Б.Г. Клингманн, Козлов B.B. "Экспериментальное исследование устойчивости трехмерного пограничного слоя и перехода течения в турбулентное состояние". Теплофизика и Аэромеханика. Том 1, (1994) No 2, стр. 127138.

8. Bakchinov, A.A. The interaction of an originating boundary layer with artificial vortical free stream perturbations. In Proceedings of Intern. Conf. on the Methods ofAeroph. Research (1СMAR), Novosibirsk, Russia, Aug 22-26,1994.

9. Bakchinov, A.A., Grek, H.R., Klingmann, B.G.B. & Kozlov, V.V. Transition experiments in a boundary layer with embedded streamwise vortices. Phys. Fluids. 7(1), April, 1995

10. Klingmann, B.G.B., Bakchinov, A.A., Grek, H.R. & Kozlov, V.V. On the stability of a boundary layer with embedded streamwise vortices. Abstract for IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Sendai, Japan, September 5-9,1994.

11. Bakchinov, A.A., Westin, КJ.A., Kozlov, V.V. & Alfredsson P.H. On the receptivity of a flat plate boundary layer to localized free stream disturbances. In IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Sendai, Japan, September5-9,1994.

12. Westin, K.JA., Bakchinov, A.A., Kozlov, V.V. & Alfredsson P.H. On interaction of free stream eddy disturbances with flat plate boundary layer. In Workshop on Transition, Luleä, April 24-27,1994.

13. Bakchinov, A.A., Klingmann, B.G.B., Grek, H.R. & Kozlov, V.V. Experiments on the stability of a spanwise-modulated boundary layer. In Proceedings of Annual Meeting of the APS Div. of Fluid Dyn., Albuquerque, New Mexico, 21-23, Nov. 1993

14. Alfredsson, P.H., Bakchinov, A.A., Kozlov, V.V. & Westin K.J.A. 1995 On by-pass transition in the Blasius boundary layer. Part 1: Receptivity and evolution of a localized free stream disturbance. TR1TA MEK Technical Repot 95:4 ISRN

1'аботи была выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 93-01-17359).

Рис. 1. Профили пульсаций продольной компоненты скорости, Р = 355 (110 Иг), Ясй» =640

Кс&*

Рис. 2. Кривые усиления волны неустойчивости, Р=355

кпмс I. плес 1. таее

х=7 тш х=3 тт х=-3 тш

Гх -г„,\/ Ь

Рис. 3. Вертикальная (» плоскости симметрии возмущении) - (а) и горизонтальная -(Ь) структуры продольной компоненты пульсаций с корост, и, и окрестности передней кромки плоской пластины п 'грех точках но продольной координате х; горизонтальная штрих-линия в плоскости (у, I) показывает у-нозицню, где строилась соответствующая картина и в (/., I) - плоскости. Шаг между соседними изолиниями Дм = 0.01 ио (на этом и последующих распределениях изолиний положительные уровни представлены сплошными линиями, отрицательные - пунктиром, опорные значения приведены на графиках).

(с) - форма передней кромки пластины (лг1и1 и - размерные продольная и вергикальная координаты, связанные с передней кромкой; I. = 2.0м).

Рис. 4. Эволюция локализованного возмущения пограничного слоя вниз по потоку. На рисунке показана структура и-компоненты скорости в плоскости параллельной поверхности пластины (пространственно-временные распределения получены в нескольких продольных координатах х на уровне постоянной средней скорости V ~ 0.5 и о)'- (а) - изолинии представлены в абсолютных значениях, Ди = 0.005Уо; (Ь) -каждое распределение нормировано на своё максимальное пиковое положительное значение Атах(х) и отрисовано с тагом ОЛбАщах-

10 8 б

4 2

S

S о >í

-2

-4

-6

-8

-10 3

20 15 10

5

S

e o

N

-5 -10 -15 -20

30 40 50 . 60 70 80 90 ¡00 110 t, msec

Рис. 5. Структура взаимодействия локализованного возмущения пограничного слоя с волной ТШ в горизонтальной плоскости (Z, t): (а) - X = 160 мм (Кед* = 456), Y = 0.92 мм, шаг изолиний для волны ТШ (справа на графике) Ли = 0.01 UG, и 0.005 f/0 - для локализованного возмущения и результата взаимодействия, (b) - X = 200 мм (Rea* = 511), Y = 1.23 мм, Ди = 0.0Шо, локализованное возмущение представлено уровнями 0.020, 0.025, 0.030ио (тонкие штрих-пунктир линии) и -0.010, -0.015, -0.020г/о(тонкие пунктирные линии).

t, msec

90 100 110 t,msec

130 140

15 10 5

E

S O -5 -10 -15

Рис. 6.Регенерация вытянутых в продольном направлении, узких "риГГ-структур, приводящих к сильной пространственной модуляции пограничного слоя с поперечным периодом порядка 2-х местных толщин пограничного слоя:(а) - X = 300 мм (Re д. = 631) Y = 1.85 мм; (Ь) - X = 400 мм (Rca» = 724), Y = 2.60 мм. Ли = 0.0Шо

-J 1 ■ 1— Л ^ -i 11 L Гг г ах V/^

min

(а)

z (mm)

0.0 ,,„, 0.0 U/Uo

(b)

7 e s

TI 4 3

s i

"í , (d) • R=470 ' o R-525 •

3* • R=575 :

.0 «='. 0 , : . » 0° Ь 0 ■

• a »• 1

■0.1 oo o.i о.г о.з o< oi

AU/Uo

Рис. 7. Структура пограничного слоя в присутствии элементов шероховатости: (а) Распределение средней скорости при Г| = 2.5, R = 525 (х = 505 мм, U0 = 8.2 м/с). (Ь) Схематичное изображение возмущенного течения, а именно возникновение стационарного закрученного течения в пограничном слое (тина стационарных нротивовращающихся вихрей), (с) - Профили средней скорости, R = 525, в различных точках по трансверсальной координате, (с!) - дефект скорости (AU) между rmin и -шах, полученный в трёх точках вниз по потоку, (где r\~Y ! -Jvxl 11«, R ~*JxU„ / v).

. х=735 mm с элементами шероховатости

х=530 mm

х = 425 мм

чх = 365 мм '•-■гх = 310 мм

1 г

200 300

Рис. 8. Переход стационарно возмущённого пограничного слоя в турбулентное состояние в результате возникновения и пространственного усиления "естественного" высокочастотного волнового пакета, V„ = 10.0 м/с.