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

РГ6 од

4 'ОГЯ

( ^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ

На правах рукописи УДК: 532.526.3

Бакчинов Андрей Александрович

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. Гапонов;

кандидат физико-математических наук В. А. Костомаха.

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

Защита состоится " 23 " июня 1995 г. в 15 часои на заседании специализированного совета К 003.22.01 но 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 в библиотеке ИТПМ СО РАН

Автореферат разослан " I £ " 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, сильно неустойчивого движения в этих пограничных слоях. Взаимодействие пограничного слоя с сильно возмущённым (турбулентным) внешним потоком характеризуется, в первую очередь, доминирующим влиянием 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 волн неустойчивости, а через генерацию интенсивных, существенно трёхмерных возмущений в пограничном слое, индуцированных в сдвиговом пристенном течении сильно возмущённым внешним потоком. Дальнейшая пространственная эволюция этих возмущений приводит либо к ещё большему искажеиию течения пограничного слоя, либо"образованию уединённых 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 па 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 траисверсальном направлении указывает на существование существенно трёхмерных вихревых образований, сильно отличающихся по своим харак теристикам от воли неустойчивости, определяющих переход при малой турбулентности набегающего потока. Эксперименты

показывают, что, начиная с некоторого порогового уровня интенсивности внешних пульсаций е, порядка 1.0 % от схорости набегающего потока UQ, обнаружить волны Толлмина-Шлихтинга (Т-Ш) 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, В.В. Козлов и М.П. Рамазанов первыми применили широко используемую при £ ~ 0.000Шо методику контролируемых возмущений в сильно возмущенном пограничном слое и показали возможность существования воли Т-Щ при степени турбулентности набегающего потока е > 0.01(7,,. 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 невозмущённого потока, осталась без объяснения, как и в экспериментах Грека с соавт., причина меньших инкрементов роста волн в случае г > 0.01 Ua-

Следует подчеркнуть, что отмеченные две экспериментальные работы, проведенные в модельной постановке на фоне многочисленных исследований "естественного" перехода, впервые позволили не только качественно, но и количественно описать поведение волн 1411 в сильно возмущённом пограничном слое. Однако, как отмечалось выше, определяющими в переходной области пограничного слоя при повышенной степени турбулентности внешнего потока являются существенно трёхмерные, низкочастотные образования, а не волны ТШ (хотя не следует a priori исключать взаимодействие между возмущениями различной природы).

Несмотря на важность изучения поведения сильно возмущённого пограничного слоя, существует лишь несколько разрозненных экспериментальных данных по 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 слоя 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 стенеии турбулентности вихревых структур сильно возмущенного пограничного слоя, а также их позможного 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, приводеиций к возмущению последнего с последующим, более ранним по сравнению с малым е, 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 дапиой 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 возмущении умеренных и больших амплитуд в пограничном слое, а также зависимости от начальных данных. В рамках концепции вторичной неустойчивости исследование п модельной постановке взаимодействия локализованных возмущений с высокочастотными бегущими волнами, а таклке изучение устойчивости трёхмерного, стационарно возмущённого пограничного слоя к бегущим волнам.

Научная повязка полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые нолученм 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 моим 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, такЧга набегающего потока и, наряду с зависимостью от начального поля возмущений, показаны универсальные характеристики, присущие сильно возмущённому погршмчному слою.

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

высокочастотным периодическим возмущением в области докритических чисел Рейнол1>дса. 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" возмущённого течения пограничного слоя при степени турбулентности набегающего потока больше 0.011! 0, продемонстрировало их не только качественное, по 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 по 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/Эг, 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 расчётными работами.

Научная и практическая ценность. Подход, разработанный и разви тый 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 развитию 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 быть 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 взаимодействию 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 тираничный слой с поверхности пластины;

в) взаимодействию зарождающегося пограничного слоя плоской пластины 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.

Апробацяя работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАМ 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 Американского 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 ври 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 нолнами неустойчивости возмущенного движения, существенно отличающегося но своим параметрам от характеристик пакетов волн Т-Ш. Указывается на необходимость изучения такого сложного явления в модельной постановке.

В глапе II описывается экспериментальная установка, используемые модели, условия проведения экспериментов. Рассматриваются методика и аппаратура, разработанная для синхронизации различных типов возмущений, вводимых в пограничный 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, длины волн и кривые нарастания амплитуд волн)в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса (см. рис. 1-2) совпадают в двух случаях: когда волны 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 пограничного 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 возмущенного пограничного слоя от параметров среднего течения и способа генерации возмущений. Было продемонстрировано, что наблюдаемые в пограничном слое узкие, вытянутые но потоку структуры, слабо расплывающиеся в ^нсверсальном

нанравлении, тесно связаны со слоем нормального среднею сдвига. Более того, впервые в одной экспериментальной постановке были сгенерированы в пограничном слое и исследованы два типа 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 и исходное невозмущенное 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 возмущённой) пограничного слоя 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 Ua) 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 0.5-0.55{/о, соответственно;

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

5. Максимум пульсаций в пограничном слое в момент пролета локализованного возмущения наблюдается в середине пограничного слоя?и 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 слос 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 ножового 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 по устойчивости пограничного слоя, сильно модулированного в поперечном направлении элементами шероховатости, наклеенными на поверхность плоской пластины. Результаты измерений, представленный 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 слос, 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 "НЦ в пограничном слос Блазиуса, при этом её скорость распространения с = 0.5ио. Фронт волны имеет ту же самую поперечную периодичность, что и основное течение, при этом амплитуда, как оказалось, растёт быстрее в /тах, 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 ио потоку Т-Ш-мода подавляется неустойчивостью, характеристики которой сильно отличаются от параметров как плоских, так и наклонных волн ТПГ. Эта мода наблюдается при значительно больших частотах, её фазовая скорость выше характерной скорости волн ТШ, 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 г-нозициях между областями превышения и дефекта продольной скорости и (т.е. в КтШе-позициях), где величина 1ЭШЫ имеет максимальное значение. (2) Фазовая скорость волны равна О.би0. Во всех г-нозициях, максимум и'/ в нормальных распределениях наблюдается на высоте у , где и(у) = с (т.е.

в области локального по z критического слоя волны). (3) Область частот, соответствующих неустойчивым осцшшяциям, 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 но 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 ламинартлх 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 трансформируется 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 представляют 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 зрансвсрсальном 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 "puff"-cTpyKTyp) 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 "pufГ-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 течении пограничного слоя в траневерсальном направлении происходит эффективное возбуждение пакета высокочастотных бегущих 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 бегущие волны меньших частот, растущие в двумерном невозмущённом ио1раничном 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-турбулентный переход при повышенной степени турбулентности набегающего потока". Материалы XXX Международной Научной Студенческой Конференции "Студент и Научно-Технический Прогресс" 1992, Новосибирск.

2. Бакчикон 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 тина "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, сгр. 45-5Ü.

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 layerflows. In Workshop on Stability and Transition, Roslagen, Aug 29-31,1993.

7. Бакчинов A.A., 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 (ICMAR), 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-В., Bakchinov, A.A., Grek, H.R. & Kozlov, V.V. On the stability of a boundary layer with embedded streamwise vortices. Abstract for WTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Sendai, Japan, September5-9,1994.

11. Bakchinov, A.A., Westin, K.J.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, September 5-9,1994.

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, Lulea, 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. TRITA-MEK Technical Repot 95:4 ISRN

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

Рис. 1. Профили пульсаций продольной компоненты скорости, Р = 355 (110 Нг),!^* =640

Исб*

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

I, МЯ 1.1ЛМС 1.ПМСС

х=7 тт х=3 тт х=-3 гот

Гх-лд/Ь

Рис. 3. Вертикальная (в плоскости симметрии возмущении) - (а) и горизонтальная -(Ь) структуры продольной компоненты пульсаций скорости, и, н окрестности передней кромки плоской пластины в трёх точках по продольной координате х; горизонтальная штрих-линия в плоскости (у, I) показывает у-иозицию, где строилась соответствующая картина и в (г, I) - плоскости. Шаг между соседними изолиниями Ам = 0.011}„ (на этом и последующих распределениях изолиний положительные уронни представлены сплошными линиями, отрицательные - пунктиром, опорные значения приведены на графиках).

(с) - форма передней кромки пластины (л;,, и - размерные продольная и вертикальная координаты, связанные с передней кромкой; Ь = 2.0 м).

Рис. 4. Эволюция локализованного возмущения пограничного слоя вниз но иотоку. На рисунке показана структура и-компоиенты скорости в плоскости параллельной поверхности пластины (аространствснно-временныс распределения получены в нескольких продольных координатах х на уровне постоянной средней скорости V « 0.5 и о): (а) - изолинии представлены в абсолютных значениях, Дм = 0.0051]0\ (Ь) -каждое распределение нормировано на своё максимальное пиковое положительное значение Атах(х) и отрисовано с тагом (ШАща*.

20

-15 -

-20'-1-'-1-'-1---1-

30 40 50 . 60 70 80 90 100 110

t, msec

Рис. 5. Структура взаимодействия локализованного возмущения пограничного слоя с волной ТШ в горизонтальной плоскости (Z, t): (а) - X = 160 мм (ließ* = 456), У = 0.92 мм, шаг изолиний для волны ТШ (справа на графике) Ди = 0.01 ио, и 0 005Uo - для локализованного возмущения и результата взаимодействия. (Ь) - X = 200 мм (Regt = 5Ü)> Y = 123 мм> А" = 0.0Шо, локализованное возмущение представлено уровнями 0.020, 0.025,0.030ио (тонкие штрих-пунктир линии) и -0.010, -0.015, -0.020Уо(тонкие пунктирные линии).

t, msec

Рис. 6.Регенерация вытянутых в продольном направлении, узких "puff'-структур, приводящих к сильной пространственной модуляции пограничного слоя с поперечным' периодом порядка 2-х местных толщин пограничного слоя:(а) - X = 300 мм (Ree* =631) Y = 1.85 лш; (Ь) - X = 400 мм (Rc¿. = 724), Y = 2.60 мм. Ли = 0.01t/o.

§

0.0 ,,„, 0.0 U/Uo

(b)

* 'í • R=470 ■ « R-525 ■

D® • R=575 .

. i •» ,-v i• ° J .....

•ii.i o.o o.i с.г и.з с.' s i áU/Uo

Рис.7. Структура пограничного слоя в присутствии элементов шероховатости: (а) Распределение средней скорости при я = 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 (типа стационарных противовращающихся вихрей), (с) - Профили средней скорости, R = 525, в различных точках по трансверсальной координате, (d) - дефект скорости (AU) между im¡n и zmax, полученный в трёх точках вниз по потоку, (где í] = YI ■JvxTTZ, R =JxU7Fv ).

i- 10l1

■ЗюЧ

1î 10-X

g no ч

H

II

"з

Ж юЧ

ю-

1«г*

_ х=735 mm с элементами шероховатости

/уд, ^ /х=500 mm Л7

х=530 mm

х = 425 мм

чх = 365 мм Vn-x = 310 мм

х=735 mm без элементов шероховатости

1

100

I

200

I

300

-1 /. Hz

600

400 500

Рис. 8- Переход стационарно возмущённого пограничного слоя в турбулентное состояние в результате возникновения и пространственного усиления "естественного" высокочастотного волнового пакета, 1!а = 10.0 м/с.