Экспериментальное моделирование продольных локализованных возмущений "ПАФФ" структур тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ду ; цц _ 4 / .//) а а

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ

На правах рукописи

Катасонов Михаил Михайлович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОЁ АНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ("ПАФФ" СТРУКТУР): ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ И УПРАВЛЕНИЕ ИХ РАЗВИТИЕМ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

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

Новосибирск - 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ ............................................................... 5

ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................... 6

МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА..................................11

1. Описание установки, используемых моделей и методов...................11

2. Методика обработки результатов измерений...................................13

ЧАСТЬ I. Экспериментальное моделирование продольных локализованных возмущений и исследование вторичной

неустойчивости .............................................................................. 16

Глава 1. Состояние исследуемого вопроса...........................................16

1.1.1. Введение контролируемых возмущений................................18

Глава 2. Исследование процесса развития и структуры моделируемых продольных локализованных возмущений в пограничном слое на плоской пластине...........................................................................25

1.2.1. Исследование динамики и развития возмущений в зависимости от типа воздействия (вдува или отсоса)...........................................30

1.2.2. Влияние размеров источника и скорости

внешнего течения ......................................................................... 55

1.2.3. Влияние амплитуды возмущения..........................................72

1.2.4. Моделирование группы продольных полосчатых структур ("пафф"-структур) .........................................................................77

Глава 3. Генерация и развитие зарождающихся турбулентных пятен

(моделирование вторичной неустойчивости)...................................83

1.3.1. Экспериментальное исследование взаимодействия продольных "полосчатых" структур с высокочастотным возмущением ............................................................................. 84

1.3.2. Генерация группы зарождающихся турбулентных пятен (incipient spot)................................................................................ 90

Выводы ............................................................................................. 92

ЧАСТЬ П. Управление развитием возмущений...............................100

Глава 1. Методы управления ламинарно-турбулентным переходом,

состояние проблемы................................................................... 100

2.1.1. Влияние отсоса на устойчивость пограничного слоя............102

2.1.2. Риблеты............................................................................ 103

2.1.3. Взаимогашение волн неустойчивости.................................108

2.1.4. Использование микроэлектромеханических систем............110

Глава 2. Влияние поперечных колебаний поверхности на развитие продольных "полосчатых" структур и зарождающихся турбулентных пятен ........................................................................................... 113

2.2.1. Воздействие поперечных колебаний поверхности на уединенную "пафф"-структуру........................................................................ 114

2.2.2. Эволюция уединенного зарождающегося турбулентного пятна (incipient spot) над колеблющейся поверхностью................116

2.2.3. Воздействие поперечных колебаний поверхности на группу "пафф"- структур и зарождающихся турбулентных пятен ("incipient spot") .......................................................................... 118

2.2.4. Выводы............................................................................. 120

Глава 3. Управление ламинарно-турбулентным переходом при высокой

степени турбулентности набегающего потока с помощью локализованного отсоса............................................................... 133

2.3.1. "Естественные" условия....................................................134

2.3.2. Контролируемые условия..................................................135

2.3.2.1. Изменение положения отсоса по пространству.............136

2.3.2.2. Влияние отсоса на развитие вторичной неустойчивости.. 137

2.3.2.3. Изменение длительности отсоса...................................139

2.3.3. Выводы............................................................................. 141

Глава 4. Активное управление продольными структурами в

пограничном слое...................................................................... 157

2.4.1. Результаты измерений..................................................... 158

Глава 5. Управление продольными структурами в пограничном

слое с помощью риблет............................................................... 164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................... 169

ЛИТЕРАТУРА ................................................................................ 171

СПИСОК РАБОТ, опубликованных по теме диссертации..................183

ПРИМЕЧАНИЕ............................................................................... 185

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

X - продольная координата (вдоль потока);

Y - нормальная к стенке координата;

Z - поперечная, вдоль стенки (трансверсальная) координата;

Хо - расстояние от источника возмущений;

F - частота волны;

U0 - средняя скорость набегающего потока;

U - средняя местная скорость;

и - пульсационная составляющая местной скорости;

и' - средняя квадратичная амплитуда пульсаций скорости (RMS);

8 - толщина пограничного слоя;

8* толщина вытеснения;

8 - ' степень турбулентности набегающего потока;

ß - поперечное волновое число, в данном случае, периодичность

возмущения по трансверсальной координате;

А - мгновенная амплитуда возмущения;

Rex - числе Рейнольдса, вычисляемое по координате X;

t - время.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Не смотря на интерес начиная с 30-х годов, влияние турбулентности свободного потока на процесс перехода получило должное внимание лишь в последние несколько лет. Эта проблема представляет большой интерес в прикладной механике, например, для предсказания перехода на лопатках осевых турбин, где проникновение турбулентности из следа за лопатками одной ступени влияет на обтекание лопаток следующей ступени.

Визуализация дымом процесса ламинарно-турбулентного перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока в "естественных" условиях показывает, что пограничный слой модулирован в трансверсальном направлении продольными локализованными структурами, вытянутыми вниз по потоку [1-3]. В литературе они идентифицируются как полосчатые структуры (английский термин -streaky structures), или "пафф"-структуры [4]. При развитии этих структур вниз по потоку, как показывает визуализация, на них возникают турбулентные пятна. Механизм появления полосчатых структур, характеристики их развития и процесс генерации турбулентных пятен в таком течении не удается объяснить на основе информации, получаемой в экспериментах, проводимых в естественных условиях. Тем не менее в таких исследованиях получены данные, указывающие на существование возмущений с характеристиками развития, отличными от волн Толлмина-Шлихтинга [1,5] и делается вывод о том, что механизм перехода при низкой (в < 0,04%) и повышенной (г > 1%) степени турбулентности набегающего потока принципиально отличаются друг от друга. По классификации [6] это, так называемый, "by-pass" переход. Тем не менее, невозможность объяснить целый ряд явлений присущих переходу в данных условиях, дало основание отметить в [7], что "механизм перехода

при повышенной степени турбулентности набегающего потока остается до сих пор непонятным".

Для решения этой проблемы представлялось актуальным провести исследование в условиях модельного эксперимента, что даст возможность изучить процесс развития возмущений вне зависимости от многих посторонних факторов зачастую мешающих исследованию. Настоящее исследование в первую очередь направлено на моделирование продольных локализованных возмущений и выявление механизма вторичной неустойчивости, который является предметом долгих споров. Вторичная неустойчивость исследовалась с точки зрения неустойчивости особого образования: пограничного слоя, содержащего продольные локализованные возмущения ("пафф"-структуры).

Особенно актуальным представлялся поиск новых методов управления неустойчивостью и переходом в пограничного слое при повышенной степени турбулентности набегающего потока в условиях модельного эксперимента.

Цель работы заключалась в поиске новых способов возбуждения продольных структур и исследовании их свойств в условиях контролируемого эксперимента, которые позволили бы наиболее адекватно моделировать возмущения пограничного слоя при повышенной степени турбулентности набегающего потока, а также поиска методов управления ими. При этом изучались: характеристики искусственно генерируемых возмущений пограничного слоя, развитие вторичной высокочастотной неустойчивости на данных возмущениях; возможность управления переходом к турбулентности как пассивными, так и активными средствами. Научная новизна

Экспериментально исследовано и установлено, что реакция пограничного слоя на локализованное воздействие связана с генерацией в

нем присущих сдвиговому течению возмущений со строго определенной структурой и характеристиками развития независимо от интенсивности возбуждения в широком диапазоне амплитуд, скорости набегающего потока, размеров источника и "вдува" или "отсоса".

Показано, что процесс взаимодействия затухающих вниз по потоку продольных локализованных ("пафф"-структур) с высокочастотным возмущением приводит к генерации высокочастотного волнового пакета, трансформирующегося вниз по потоку в турбулентное пятно.

Выявлен механизм, ответственный за возникновение и развитие вторичной неустойчивости в данном течении, связанный с наличием большого градиента скорости в поперечном направлении.

Предложены и обоснованы четыре метода управления развитее м возмущений: поперечные колебания поверхности, локализованный отсос, оребрение поверхности и взаимогашение продольных возмущений путем дополнительного возбуждения их в противофазе. Научная и практическая ценность.

Результаты по моделированию продольных локализованных возмущений и механизмам ответственным за их развитие, изложенные в диссертационной работе, могут быть использованы в моделировании процессов перехода в подобных течениях. Показана принципиальная роль градиента скорости в поперечном направлении в развитии высокочастотной вторичной неустойчивости. Полученные данные указывают на возможности затягивания ламинарно-турбулентного перехода при помощи перечисленных выше методов контроля. Объем работы.

Диссертация состоит из введения, описания моделей и методики исследования, 2-х частей, содержащих 8 глав, заключения, списка литературы из 116 наименований, изложена на 185 стр., включая 80 стр. рисун-

ков. Результаты диссертации опубликованы в работах представленных на стр. 183-184.

В первой части рассматривается вопрос моделирования продольных локализованных возмущений и исследование вторичной неустойчивости. Приводится обзор существующих результатов по исследованию перехода к турбулентности в пограничных слоях при повышенной степени турбулентности внешнего потока. Указывается место данной работы в ряду других исследований. Проведенное экспериментальное исследование характеристик продольных локализованных возмущений ("пафф"-структур) показало, что при изменении в широком диапазоне амплитуды возбуждающего импульса, скорости внешнего потока и размеров источника, пространственная структура и характеристики развития моделируемых возмущений остаются практически неизменными, указывая на их универсальность. Исследован процесс взаимодействия продольных структур с высокочастотным возмущением с образованием т.н. зарождающегося турбулентного пятна (incipient spot). Показано, что при введении высокочастотного возмущения интенсивность продольных локализованных структур резко возрастает за счет "перекачки" энергии из среднего течения.

Вторая часть посвящена управлению развитием возмущений. Приводится обзор основных методов управления переходом к турбулентности в пограничных слоях. Экспериментально исследовано влияние поперечных колебаний поверхности, локализованного отсоса, оребрения поверхности и взаимогашения продольных возмущений путем дополнительного возбуждения их в противофазе друг к другу.

В заключении сформулированы основные выводы работы. На защиту выносятся:

1. Новые результаты экспериментальных исследований по моделированию группы продольных, полосчатых возмущений ("пафф" -

структур), присутствующих в пограничном слое в условиях повышенной степени турбулентности внешнего потока.

2. Результаты экспериментального исследования и моделирования механизма вторичной неустойчивости в этом течении;

3. Методы управления переходом к турбулентности в данном течении.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах Института Теоретической и Прикладной Механики СО РАН, Королевского Технологического Института (КТН), Стокгольм, Швеция и представлялись на следующих конференциях:

Международном симпозиуме ИСЕФМ (1СЕБМ) по экспериментальной механике жидкости (Королев, Москва, 1997),

Международном симпозиуме ИЮТАМ (ШТАМ) по пассивным и активным методам управления течением (Геттинген, Германия, 1998), Международной конференции по методам аэрофизических исследований (1СМАЯ) (Новосибирск, 1998),

Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей", (Новосибирск, 1996,1997,1998),

Международной Научной Студенческой Конференции, (НГУ, Новосибирск, 1996,1997,1998).

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору Виктору Владимировичу Козлову, который был инициатором этой работы, за его неоценимый вклад в ее осуществлении. Автор выражает искреннюю благодарность д.ф.-м.н. Г.Р.Греку и профессору П.Х.Альфредссону за большую помощь и многочисленные дискуссии по обсуждению результатов. Автор признателен к.ф.-м.н. А. А. Бакчинову и всему коллективу лаборатории № 8 ИТПМ СО РАН за помощь, оказанную в выполнении этой работы.

МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Описание установки, используемых моделей и методов

Исследования проводились в малотурбулентных дозвуковых аэродинамических установках закрытого типа, в пограничном слое Блазиуса, организованном над поверхностью плоской пластины. Основная часть измерений была выполнена в аэродинамической трубе МТ-324 ИТПМ СО РАН с поперечным сечением рабочей части 200x200 и длиной 800 мм. Степень турбулентности набегающего потока 8 в рабочем диапазоне скоростей не превышала 0.3%. Данная установка является точной копией большой аэродинамической трубы Т-324 (см. приложение), выполненная в масштабе 1:5. Часть исследований (управление продольными структурами при помощи локализованного отсоса) была сделана в дозвуковой аэродинамической трубе MTL (Minimum Turbulence Level) Королевского Технологического Института, Стокгольм, Швеция (см. приложение). Параметры рабочей части: поперечное сечение 0.8x1.2 м, длина 7 метров. В интервале скоростей 10-60 м/с степень турбулентности набегающего потока 8 < 0.02%.

В качестве рабочей модели использовалась плоская пластина со специально спрофилированной передней кромкой, используемой для устранения влияния градиента давления на передней части пластины [8]. Для предотвращения срыва потока с острой передней кромки, сзади на модели устанавливался под определенным углом интерцептор.

Искусственные возмущения в пограничном слое модели генерировались различными источниками : через щель, расположенную на поверхности модели, либо через трубку [9], помещенную выше по потоку от передней кромки пластины. Введение возмущений осуществлялось по методике вдува-отсоса газа с помощью динамических

громкоговорителей, соединенных пиевмотрассами с источниками возмущений. На динамический громкоговоритель подавался низкочастотный ^=1-2 Гц), короткий электрический импульс, длительностью примерно 5 мс. За счет инерционности динамического громкоговорителя в пограничном слое был реализован сигнал на "вдуве" газа длительностью примерно 30 мс в точке ввода возмущений. Таким образом, пограничный слой возбуждался коротким импульсным вдувом (отсосом) газа с очень большим периодом следования импульсов.

В качестве измерительного прибора использовался термоанемометр постоянной температуры. Измерялись средняя (и) и пульсационная (и) компоненты продольной составляющей скорости с помощью однониточного датчика, чувствительным элементом которого была вольфрамовая нить длиной или 1 мм и поперечным сечением 5 мкм, или 0.5 мм и поперечным сечением 2.5 мкм. Аналоговый сигнал с моста термоанемометра переводился в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП), линеаризовался и записывался в память персонального компьютера как зависимость мгновенной величины сигнала (и) от времени (1). Сбор данных производился синхронно с моментом введения контролируемых возмущений.

В некоторых случаях вводимые в компьютер одиночные реализации процесса развития возмущений по пространству и времени осреднялись по ансамблю для улучшения соотношения сигнал/шум, что позволяло выделять достаточн�