Исследование нелинейных механизмов порождения турбулентности в переходном пограничном слое. Возможность создания детерминированной пристенной турбулентности

Рощектаев, Алексей Петрович

Исследование нелинейных механизмов порождения турбулентности в переходном пограничном слое. Возможность создания детерминированной пристенной турбулентности тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Рощектаев, Алексей Петрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Исследование нелинейных механизмов порождения турбулентности в переходном пограничном слое. Возможность создания детерминированной пристенной турбулентности»

Автореферат диссертации на тему "Исследование нелинейных механизмов порождения турбулентности в переходном пограничном слое. Возможность создания детерминированной пристенной турбулентности"

На правах рукописи

Рощектаев Алексей Петрович

Исследование нелинейных механизмов порождения турбулентности в переходном пограничном слое. Возможность создания детерминированной пристенной турбулентности

01.02.05 -'механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Качанов Юрий Семёнович, кандидат физико-математических наук, Бородулин Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Миронов Сергей Григорьевич кандидат физико-математических наук Федоров Александр Витальевич

Ведущая организация:

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)

Защита состоится и_" _2005 г. в "_" час. на заседании

диссертационного совета Д003.035.02 при Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН по адресу: ул. Иститутская, 4/1, Новосибирск, 630090.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим высылать по адресу: Учёному секретарю диссертационного совета, ИТПМ СО РАН, ул. Иститутская, 4/1, Новосибирск, 630090

Автореферат разослан "_"_2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.ф.-м.н. " В.И. Корнилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большой интерес к проблеме возникновения турбулентности обусловлен её важным фундаментальным и прикладным значением, связанным с широким распространением явления ламинарно-турбулентного перехода в различных природных процессах, с одной стороны, и во всевозможных технических задачах и устройствах, с другой. Несмотря на то, что многие задачи исследования различных этапов ламинарно-турбулентного перехода были успешно решены, ряд очень важных аспектов этого сложного явления остаётся неясным. Остаётся нерешённой и важная проблема теоретического описания развитой пристенной турбулентности, которая тесно связана с проблемой перехода. Несомненно, что успешное развитие теории и методов прямого численного моделирования, невозможно без их проверки путём сопоставления с экспериментальными результатами.

Говоря о прикладном значении исследований проблемы порождения турбулентности, необходимо выделить задачи конструирования авиационной и космической техники. Летные качества воздушных и космических аппаратов в значительной степени зависят от характера течения в пограничных слоях, формирующихся на обтекаемых поверхностях. Важной задачей в данном случае является создание эффективных методов предсказания положения перехода и управления характеристиками переходных и турбулентных течений, которые существенно влияют на возникновение отрывных явлений, на коэффициенты сопротивления, подъемной силы, теплопередачи и т.п.

Положение и характер ламинарно-турбулентного перехода зависят от: а) характеристик устойчивости пограничного слоя к собственным возмущениям, б) его восприимчивости к внешним возмущениям и в) некоторых наиболее сильных нелинейных механизмов возникновения турбулентности. Последние изучены слабее всего.

Среди нелинейных проблем задачи слабонелинейных взаимодействий мод неустойчивости к настоящему времени исследованы наиболее подробно как экспериментально, так и теоретически, а также в рамках прямого численного моделирования. Однако большинство этих исследований выполнено для безградиентного пограничного слоя на плоской пластине (Блазиуса) и, в гораздо меньшей степени, для градиентных пограничных слоёв, широко распространённых на практике, прежде всего для неблагоприятных градиентов давления (НГД), которые очень часто провоцируют переход в реальных ситуациях (например, на крыльях самолётов). В предыдущих исследованиях обнаружено, что одним из доминирующих механизмов на слабонелинейных стадиях перехода являются резонансные взаимодействия волн неустойчивости субгармонического типа. В то же время возможность реализации этих взаимодействий в пограничных слоях с НГД при наличии расстроек резонансных триплетов по поперечным волновым числам (часто встречающихся при случайных, «естественных» возмущениях) остаётся пока экспериментально не исследованной, как и степень, и характер влияния этих расстроек на усиление возмущений.

I БИБЛИОТЕКА I

ста, в смысле слабой зависимости их характеристик от начального спектра возмущений. Оказалось, что вихревые структуры, найденные в переходном и развитом турбулентном пограничном слое, очень похожи друг на друга, что привело некоторых исследователей к гипотезе о существовании глубокой физической аналогии механизмов порождения пристенной турбулентности в переходных и турбулентных пристенных течениях. Исследования нелинейных процессов на поздних и сверхпоздних стадиях перехода стали, в связи с этими обстоятельствами, весьма актуальными, поскольку проведение измерений в развитом турбулентном течении сопряжено с большими трудностями.

Указанная гипотеза нуждается также в дополнительном обосновании. В особенности это относится к случаям перехода, инициируемого не гармонической волной неустойчивости (как в большинстве предыдущих экспериментов), а широкополосными (случайными) возмущениями, характерными для «естественного» перехода и для турбулентного течения. Столь же актуальным является и проблема экспериментального исследования сверхпоздних стадий перехода (т.е. посгпереходного турбулентного течения) в условиях контролируемых (детерминированных) возмущений. Исследования такого рода не проводились, хотя они чрезвычайно важны для углубления аналогии между процессами порождения турбулентности в переходных и турбулентных течениях и более глубокого изучения этих процессов.

Цель работы. С помощью методов контролируемых возмущений провести подробное экспериментальное исследование механизмов нелинейного разрушения ламинарного пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления и изучить возможность создания модельной (детерминированной) пристенной турбулентности.

При этом предполагалось решить следующие основные задачи: а) на слабонелинейных стадиях перехода исследовать свойства резонансных взаимодействий волн неустойчивости субгармонического типа в триплетах с расстройками по волновым числам; б) изучить вихревые структуры, возникающие на поздних стадиях перехода пограничного слоя с НГД, инициируемого квазидвумерной гармонической волной неустойчивости и сопоставить со случаем течения Блазиуса, изученным ранее; в) с помощью метода детерминированного шума исследовать процессы порождения вихревых структур, возникающих на поздних стадиях перехода, инициируемого широкополосными (квази-случайными) возмущениями частотно-волнового спектра, и сопоставить с периодическим случаем; г) изучить возможность создания (на сверхпоздних стадиях перехода) постпереходной модельной (детерминированной) пристенной турбулентности с осреднёнными характеристиками, соответствующими развитому турбулентному пограничному слою и исследовать её мгновенную структуру.

Научная новизна. В работе впервые получены количественные экспериментальные данные о влиянии расстроек по поперечным волновым числам субгармоник на их резонансное усиление в пограничном слое с НГД, подтверждён вывод о доминировании резонансных взаимодействий субгармонического типа и показана большая спектральная ширина резонансов. Впервые экспериментально изучены физические механизмы поздних, существенно нелинейных стадий перехода пограничного слоя с НГД. Показана универсальность этих механизмов в смысле их слабой зависимости от спектра начальных возмущений (включая сплошной частотно-волновой спектр) и от наличия градиента давления. Обнаружено формирование вихревых структур нескольких типов и исследованы их свойства. Впервые исследована проблема экспериментальной реализации постпереходной модельной, детерминированной турбулентности

в пограничном слое, возбуждаемом контролируемыми широкополосными возмущениями. Показана принципиальная возможность создания такой турбулентности.

Достоверность результатов представляется достаточно высокой по следующим причинам. В работе используется хорошо апробированный метод термоанемо-метрических измерений. Большая часть результатов получена с использованием методов возбуждения в исследуемом потоке возмущений контролируемого частотно-волнового спектра. Результаты сопоставляются друг с другом (при различных начальных условиях), с данными предыдущих экспериментальных исследований (где это возможно) и с результатами, полученными методом прямого численного моделирования. Основные результаты работы физически непротиворечивы, качественно согласуются с имеющимися представлениями о природе перехода к турбулентности и хорошо апробированы на большом количестве национальных и международных семинаров, симпозиумов и конференций.

Научная и практическая ценность. Полученные в работе обширные количественные данные о слабонелинейных, поздних и сверхпоздних стадиях перехода пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления могут быть использованы для верификации теоретических и численных подходов, прежде всего метода прямого численного моделирования. Они также могут быть полезны при создании более совершенных методов расчета положения перехода в пограничных слоях, учитывающих некоторые, наиболее сильные, нелинейные эффекты. Предложенный и обоснованный в диссертации новый метод модельной (детерминированной) турбулентности может быть использован для экспериментального и численного исследования пристенной турбулентности в постпереходном пограничном слое.

На защиту выносятся:

- результаты применения метода детерминированного шума для исследования мгновенной структуры течения (включая визуализацию и анимацию вихревых структур) на поздних стадиях перехода к турбулентности;

- идея метода «модельной турбулентности» для исследования постпереходных турбулентных пограничных слоев, основанного на применении метода детерминированного шума к сверхпоздним стадиям перехода;

- результаты экспериментального исследования резонансных взаимодействий волн неустойчивости в пограничном слое с НГД в триплетах субгармонического типа с расстройками по поперечным волновым числам;

- результаты исследования поздних стадий перехода, вызываемого гармонической квази-двумерной волной Толлмина-Шлихтинга (ТШ) в пограничном слое с НГД;

- результаты экспериментального исследования поздних стадий перехода к турбулентности, индуцируемого широкополосными (псевдослучайными) возмущениями в присутствии гармонической квазидвумерной волны ТШ в пограничном слое с НГД;

- результата экспериментального исследования возможности создания постпереходной модельной (детерминированной) пристенной турбулентности с осреднёнными характеристиками, соответствующими развитому турбулентному пограничному слою.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН, Штутгартского университета, Берлинского технического университета, Университета Фридриха-Александра (г. Эрланген, ФРГ). Ахенском техническом университете и на следующих научных конференциях: XXXIX и ХЬ Международные научные студенческие конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2001, 2002. Международный коллоквиум Евромех 423 "Воипёагу-Ьауег

Transition in Aerodynamics", Штутгарт, 2001. Всероссийская конференция молодых учёных «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск, 2001. 8 и 9 Международные конференции «Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей», Новосибирск, 2001, 2004. VIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Пермь, 2001. VI Всероссийская конференция молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2002. Concluding Colloquium of Deutscher Forschungsgemeinschaft DFG-Verbundschwer-punktprogramm (VSPP) "Transition", Штутгарт, 2002. International Conference on Turbulence in Commemoration of Professor P.-Y. Chou's lOOth Anniversary", Пекин, 2002. XI и ХП Международные конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR 2002 и ICMAR 2004), Новосибирск, 2002, 2004. International China-U.K.-Russia Workshop "Laminar-Turbulent Transition and Control", Пекин, 2003. Пятая Европейская конференция по механике жидкостей и газов (EFMC 5), Тулуза, 2003. Симпозиум IUTAM "One Hundred Years of Boundary Layer Research", Гёт-тинген, 2004. Молодёжная конференция «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей», Новосибирск, 2005.

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 19 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы из 172 наименований, списка работ, опубликованных по теме диссертации, и изложена на 232 страницах, включая 92 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении излагаются цели и задачи работы, описывается структура диссертации, обосновывается актуальность исследований.

В главе I приводится обзор предыдущих экспериментальных, теоретических и численных исследований по теме диссертационной работы. Рассматривается текущее состояние исследований процесса перехода в пограничных слоях; основное внимание уделяется стадии слабонелинейного взаимодействия волн неустойчивости и завершающим, существенно нелинейным стадиям перехода и окончательного разрушения ламинарного течения. Обосновывается важность выбранного направления исследований.

В главе П описываются экспериментальная установка, модель и методика создания автомодельного погранслойного течения с НГД, а также условия проведения экспериментов, методы измерений и возбуждения возмущений в пограничном слое, характеристики исследуемого среднего течения. В п. 2.1 отмечается, что все эксперименты, проводились в дозвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе Т-324 ИТПМ СО РАН. При используемых скоростях потока (около 10 м/с) степень турбулентности в свободной рабочей части не превышает 0,02% на частотах выше 1 Гц. Основные измерения выполнены с помощью термоанемометра.

Рис.) Схема модели. 1 - пластина; 2 - пол рабочей части; 3 - закрылок; 4 - ложная стенка; 5,6,7,8 - конструкционные элементы.

Рис.2 (а) - Распределение скорости потенциального течения; (Ь) — Типичный профиль средней скорости. 1 - эксперимент, 2 - теория Рн - -0,115; 3 -профиль Блазиуса )3н = 0.

В п. 2.2 описан способ создания автомодельного течения с постоянным отрицательным параметром Хартри. На рис. 1 представлена схема модели, используемой во всех экспериментах диссертации. Пограничный слой создавался па плоской пластине с эллиптическим носиком. Переменный градиент давления над поверхностью пластины индуцировался ложной стенкой варьируемой геометрии. Показано, что распределение средней скорости по продольной координате х (рис. 2а) соответствует параметру Хартри рн~ -0,П5, а течение в пограничном слое является автомодельным с профилями средней скорости, хорошо согласующимися с теоретическими (рис. 26).

В п. 2.3 описывается методика возбуждения трехмерных волн неустойчивости контролируемого частотно-волнового спектра, конструкция источника волн неустойчивости и схема измерений. Источник был разработан ранее и после оптимизации его параметров использован в данной работе для изучения нелинейных взаимодействий двумерных (2М) и трёхмерных (ЗМ) волн неустойчивости (глава Ш), а также впервые был применён для исследования поздних и сверхпоздних, существенно нелинейных стадий перехода (главы IV, V и VI). В п. 2.4 описаны методы сбора и обработки данных. В п. 2.5 приведены два метода исследований возмущений сплошного спектра, развитые в данной диссертации.

Идея метода детерминированного шума, используемого в главах V и VI, заключается в следующем. Возбуждаемое в пограничном слое возмущение является случайным (т.е. имеет почти сплошной частотный спектр) на малых и средних масштабах времён, сравнимых с временами прохождения потока над моделью т (и меньших), но оно периодически повторяется на очень больших временах Т, » г. В результате, возмущение является случайным (широкополосным) с точки зрения потока, но периодическим с точки зрения обработки данных. Такой подход, позволяющий исследовать мгновенные пространственные поля случайных, по существу, возмущепий скорости с помощью точечных измерений, впервые использован в настоящей работе для изучения поздних и сверхпоздних стадий

А,%

0.01

0.001

350 400 450 500 550 дг, мм

Рис 3 Кривые нарастания основной волны (1) и субгармоник (2 - 4, 2' - 4") в случаях с расстройками (2, 3: MRWD; 2', 3': SWD) и без (4: MR; 4': S), в присутствии (2 - 4, режим MRWD и MR) и в отсутствии (2' - 4', режимы SWD и S) основной волны. Кривая нарастания основной волны (1, Aß = -рш) осреднена по всем режимам. 2, 2': ß = 0; 3,3': Д0 =-0Л5р,й 4. 4': Äß = 0.

ЗДрадГим

Рис. 4 Коэффициент усиления субгармоники в зависимости от абсолютного значения поперечного волнового числа, измеренный в резонансных (МИЛУО и МЯ, точки 1, 2, 3) и не резонансных (вШ) и Б, точки Г, 2', 3") режимах. 1-3: л: = 450,510 и 570 мм.

перехода.

Идея создания детерминированной пристенной турбулентности основана на том, что неустойчивости ламинарных и переходных пограничных слоев (на всех стадиях перехода) носят, как правило, конвективный (сносовый) характер, т.е. абсолютных или глобальных неустойчивостей не возникает. Это наблюдение вытекает, как из предыдущих исследований, так и из результатов данной диссертации. На этой основе сделано предположение, что конвективный характер развития возмущений специфичен для всех стадий перехода дву-

мерного дозвукового пограничного слоя, включая сверхпоздние стадии, а также постпереходный турбулентный пограничный слой. Если это предположение верно, то пограничный слой представляет собой лишь усилитель возмущений, входящих в него сверху по потоку, а не их генератор, при прохождении через который структура полей скорости потока сохраняет свою связь с исходной структурой и остаётся детерминированной. Это предположение приводит к мысли о гипотетической возможности создания детерминированной турбулентности (модельной турбулентности), попытка создания которой предпринята в главе VI.

Глава III посвящена резонансным взаимодействиям волн ТШ в субгармонических триплетах на слабонелинейных стадиях перехода в пограничном слое с НГД.

В п. 3.1 описаны характеристики начальных (х = 350 мм) возмущений и режимы измерений. В большинстве режимов возбуждалась двумерная волна неустойчивости частотой/1 = 109,1 Гц и пара наклонных субгармонических волн частотой /¡а =/\!2. В начальном сечении основная волна близка к наиболее быстрорастущей. При взаимодействии волн ТШ в точных резонансных субгармонических триплетах поперечные волновые числа субгармоник (/?= ±рш = ±0,131 рад/мм) соответствовали условию фазового синхронизма с основной волной (равенство фазовых скоростей). Всего исследовано четырнадцать режимов, включая триплеты с расстройками по поперечным волновым числам субгармоник в широком диапазоне от -100 до + 200% от резонансного

волнового числа.

Параграф 3.2 посвящен описанию субгармонических резонансных взаимодействий волн неустойчивости в случае точного резонанса без расстроек по поперечным волновым числам. Показано, что в начальном сечении доминирует двумерная основная волна. Ниже по потоку наблюдается бурный рост субгармоник, а также мод на частотах /= и/1/2 (и = 2, 3,4,...), включая высшие нечетные гармоники субгармоник (и = 3, 5, 7,...). Показано, что начальная стадия резонансного усиления субгар-

74.«

X. ИМ о

373 18.6 х', мм

Рис. 5 Пространственная форма Л-структуры в пограничном слое с НГД при х = 449 мм.

моник является параметрической и основная волна нарастает вниз по потоку экспоненциально независимо от присутствия субгармоник. Субгармоники же нарастают экспоненциально только в отсутствии основной волны, а в её присутствии они растут по закону, близкому к дабл-экспоненциальному (экспонента в экспоненте), что согласуется со слабонелинейной теорией устойчивости.

В п. 3.3 описаны результаты исследований резонансов с расстройками по поперечным волновым числам, полученные в 8-ми режимах в рамках двух групп: \iRWD (в присутствии основной волны) и БМ) (в её отсутствии). В этих режимах поперечные волновые числа субгармоник составляли р = ±0,393; ±0,196; ±0,0098 и О рад/мм.

Кривые нарастания волн в некоторых резонансных и нерезонансных режимах приведены на рис. 3. Нарастание субгармоник сильно зависит от поперечного волнового числа, причём рост в точном резонансе (МЫ) доминирует над ростом в режимах с расстройками (МК.Ш)). При расстройке Д/7= ~Рт (двумерная субгармоника) присутствие основной волны не влияет на рост субгармоники, а при всех других расстройках оно ускоряет рост (за счёт резонанса). При этом условия фазового синхронизма в соответствующих резонансных триплетах выполняются. В режимах с Д/?= -0,25Д/2 и +0,5Дд нарастание субгармоник близко к дабл-экспоненциальному. Зависимость интегрального коэффициента усиления субгармоник к(х,{!) = Ат{х)1А\гЛх^ от их поперечного волнового числа приведена на рис. 4 для трех положений вниз по потоку, в случаях присутствия и отсутствия основной волны. Видно, что, спектральная ширина резонанса быстро возрастает с продольной координатой (вместе с амплитудой основной волны) и достигает очень больших величин.

В главе IV описаны результаты экспериментального исследования поздних стадий перехода, инициируемого в пограничном слое с НГД гармонической квазидвумерной волной ТШ.

Пункт 4.1 посвящен описанию процедуры измерений и режима возбуждения возмущений. В пограничном слое возбуждалась квазидвумерная волна ТШ сравнительно большой начальной амплитуды. Основные измерения проводились в диапазоне значений продольной координаты от * = 350 до 470 мм. В начальном сечении (х= 350) в спектрах возмущений преобладает основная волна частоты = 109,1 Гц, форма амплитудных и фазовых профилей которой соответствует волне ТШ. Мгновенные поля пульсаций скорости в плоскостях (-1, г) и (-1, у) наглядно визуализируют почти двумерную волну с квзиплоскими Рис. 6 Мгновенные поля пульсаций продоль- волновыми фронтами. В п. 4.2 описаны ной скорости в (-/, г)-плоскости (проекция на стадии перехода, на которых фор-стенку). (а) при х = 440 мм; (¿>) при х = 449мм; МИруются вихревые структуры. Показано, (с) при* = 461мм. что к сечению х = 440 мм на осцилло-

граммах пульсаций наблюдается появление мощных отрицательных всплесков — «шипов», а модуляция основной волны

► >

по размаху модели быстро нарастает с образованием характерных пиков и впадин и возмущения становятся существенно трехмерными. Основная волна неустойчивости здесь ещё доминирует, но в спектре быстро нарастают её высшие частотные гармоники, амплитуды которых затухают по геометрической прогрессии (как и в пограничном слое Блазиуса в согласии с асимптотической солитонной теорией). Поля продольной компоненты пульсаций скорости в плоскости (-?, г), а также проекции мгновенных полей возмущения скорости на стенку (определённые как £) = пип{м(/, у, г)} по всем значениям координаты у) показывают, что при х = 440 мм возникает существенная деформация волнового фронта и в потоке появляются Л-вихри. Начиная с х = 400 мм, возникает заметное искажение поля среднего течения, усиливающееся вниз по потоку. Характер искажения соответствует появлению противовращаюпдахся продольных вихрей. Пространственная форма вихревых структур визуализирована на мгновенных полях пульсаций скорости и поперечной завихренности в плоскостях (-г, _у) и (у, г). Выявлено формирование слоёв сильного сдвига (СС-слоёв), расположенных над и под А-структурами, с большими величинами возмущения поперечной завихренности течения <ог. СС-слои также имеют А-образную форму. На рис. 5 показана форма

г, мм

С 0.1647

1464 0.1281 0.1098 0.0915\ 0.0732 0.0549 0.0366 0.0183 0.0000 |Группа 21 |Группа 1

-8%

ннштш гппнп

лип 0«

32 16

«»« 0.1647 У1464 0 1281 0 1098 ^(МК ^ | Группа 21 ^

|Гх>уппа 11

0915 0 0732 0.0549 О 0366 0.0183 0 0000

111111 16% 0% X, МП

32 16

/1 Структура 11 у I Структура 41 х-1 Структура г

ад* »

¡ЬШТ^ 0.1464 0.128^ О.

па 21 1 ^Ий Р ■ ■■ 1А II

0/61 1К

(,с

| Группа 21 | Группа!

I Структура"^ у

1.1098 0.0915 [Структура

732 0.0549 0.0366 О 0183 0.0000 I I I I I I

_-36% 0%

/ Структура 21 *»

5е

.у0732

*»с 0.164Я 0.1464 0.1281 0.1098 0.0915 (^0732 0.0549 0.0366 0.0183 0.0000

' ¡Структура 1 _

-----54%

| Структура 4

1 Структура 2~[

ОН х,мц

в Г 32

<■ 0.1\М7 0.1464 0.1281 0.1098 0.0915 11 Структура 11 | Структура .

0732 0.0549 0.0366 0.0183 0.0000 ——■«I I I I I I I

-54% 0%

Рис. 7 Проекции мгновенных полей пульсаций продольной скорости итш(/, г), а, Ь, с, <1, е: х = 45(1,470,490, 510 и 530 мм соответственно.

Л-структуры в пространстве, измеренная при х = 449 мм. Сам Л-вихрь визуализирован изоповерхностью низких значений (вблизи минимума) ¿-компоненты вектора полной завихренности течения Д^ (тёмный тон), а область малых скоростей, лежащая под СС-слоем, — изоповерхностью низких (отрицательных) мгновенных значений возмущения продольной компонента скорости (светлый тон). Сопоставление структур визуализированных на разных стадиях развития в пограничном слое с НГД с теми, что исследованы ранее в безградиентном пограничном слое, показало большое качественное и количественное сходство их основных свойств и характеристик. Пункт 4.3 посвящен изучению дальнейшей эволюции вихревых структур вниз по потоку. Обнаружено увеличение амплитуды шипов на осциллограммах и умножение их количества. На рис. 6а,Ъ,с, где приведены мгновенные поля пульсаций скорости потока в плоскости (-/, г) в проекции на стенку Ищш(-/. г) = тт{«(-/, г, у)}, показана эволюция Л-сгруктур на стадиях х = 440,449 и 461 мм. Видно, что при * = 449 мм Л-структура растягивается вдоль потока по сравнению с х = 440 мм и заостряется. При * = 461 мм в районе головы Л-структуры образуется маломасштабная область низкой скорости, соответствующая формированию в потоке кольцеобразных вихрей. Показано, что в плоскости (у, г) форма «развитого» кольцевого вихря близка к окружности с диаметром чуть большим толщины вытеснения невозмущённого пограничного слоя. Ниже по потоку возникает 2-ой и 3-ий кольцевой вихрь.

В п. 4.4 делаются некоторые выводы по главе IV. Отмечается, что все обнаруженные структуры весьма схожи с найденными в предыдущих экспериментах и расчётах в переходе пограничного слоя Блазиуса. Полученные результаты подтверждают правомерность гипотезы о существовании универсального, существенно нелинейного механизма порождения турбулентности в переходных и турбулентных пристенных сдвиговых течениях (для случая перехода пограничного слоя с НГД) и могут послужить основой для исследований поздних стадий перехода при других, более сложных, спектрах начальных возмущений.

Глава V посвящена исследованию вихревых структур, возникающих на поздних стадиях перехода пограничного слоя с НГД, инициируемого широкополосными волнами ТШ.

Пункт 5.1 посвящён процедуре измерений. В пограничном слое возбуждалась суперпозиция гармонической квазидвумерной волны ТШ и шумоподобных ЗМ волн ТШ широкого частотно-волнового спектра. Широкополосный сигнал повторялся каждые 20 периодов основной волны (0,183 с). В течение этого времени возмущения пробегали в потоке расстояние во много раз большее, чем вся длина области измерений (около 0,08 м). Основные измерения выполнены в диапазоне продольной координаты х от 450 до 530 мм.

В. п. 5.2 описаны свойства возмущений в начальном сечении (х = 450 мм). В выбранном режиме возбуждения примесь широкополосных возмущений здесь была относительно мала и профили амплитуд и фаз пульсаций на частоте основной волны типичны для собственных функций 2М гармонической волны ТШ. Двумерная основная волна, слабо искаженная примесью случайных возмущений, визуализирована в виде мгновенного поля пульсаций скорости в плоскости (-/, г) (рис. Та).

Пункт 5.3 посвящен описанию формирования стохастизованных вихревых структур. При * = 470 и 490 мм на осциллограммах пульсаций начинают возникать шипы. В частотных спектрах возмущений бурно нарастают широкополосные компонента и осциллограммы полных и случайных пульсаций скорости становятся похожими друг на друга. Процесс формирования вихревых структур визуализирован на

^с 0.2 0.16 0.12 ОХ» 0.04 О

Рис. 8 Эволюция осциллограмм полных пульсаций продольной скорости (1, 2) и случайной компоненты (Г, 2") на поздних стадиях. 1,1': х = 510 мм, 2,2': х = 530 мм; у = 3.8 и 4.8 мм соответственно; г = 14 мм.

рис.7, где показаны проекции мгновенных полей пульсаций скорости на стенку. Изначально квазидвумерные фронты волны ТШ (рис. 7а) искажаются за счет нелинейных волновых взаимодействий, приводя к возникновению структур при х = 490 мм (рис. 7с), которые очень похожи на Л-структуры, полученные в экспериментах главы IV, при возбуждении гармонических возмущений. Однако в данном случае расположение структур во времени и в пространстве уже существенно стохастизовано. Часть структур расположена в шахматном порядке, что соответствует ^-режиму перехода, обнаруженному ранее в течении Блазиуса (группа 1), в то время как другие группы структур располагаются в линию, как в АГ-режиме (группа 2).

В п. 5.4 описана дальнейшая эволюция сформировавшихся структур при х = 510 и 530 мм. Зародыши шипов трансформируются при х= 510 мм в «настоящие» шипы, более заострённые и короткие по времени (рис. 8, кривая 1), которые расположены в случайном порядке. Ниже по потоку количество шипов увеличивается за счет их удвоения и утроения (рис. 8, кривая 2). Шипы, порождающиеся каждой А-стругаурой, имеют различные характеристики, которые зависят от «возраста» конкретной Л-структуры, от её формы и положения по размаху относительно точки наблюдения. При х = 530 мм максимальная амплитуда шипов достигает 50%. «Судьба» структур на последних стадиях (х= 510, 530 мм) видна на рис. 7с/, е. Они все еще имеют типичную форму Л-вихрей, которые продолжают растягиваться вдоль потока и становятся более заостренными. Большинство вихрей несимметричны, искажены случайными возмущениями и расположены в почти случайном порядке.

Как и в переходе, инициируемом гармонической волной 1Ш (глава IV), на последующих стадиях развития широкополосных возмущений обнаружено появление кольцевых вихрей, порождаемых Л-структурами. Положение локальных областей низкой скорости, соответствующих этим вихрям, относительно Л-струиур (впереди их голов) видно в плоскости (-/, г) на рис. Те. Внутренняя структура области низкой скорости, порождаемой при х = 530 мм одним из Л-вихрей, показана на рис. 9 в плоскости (у, г) в один из моментов времени в виде мгновенного поля модуля градиента продольной компоненты пульсаций скорости. Диаметр кольцевого вихря немного больше толщины вытеснения невозмущенного пограничного слоя. Очень похожие

вихри генерируются и другими Л-структурами, видными на рис. Те, независимо от того симметрична ли эта структура или нет. ь ■ «чцрг» - Вихри имеют немного разную форму и раз-

|С_ ; Г | Щт гЛ мер, но качественно очень похожи друг на

друга.

В п. 5.5 суммируются основные результаты пятой главы. Отмечается, что обнаруженные Л-вихри, Л-образные ЗМ слои сильного сдвига, кольцеобразные вихри и шипы на осциллограммах пульсаций качественно весь-

у<т

-А

т-" гО

2-1 и мм 32

0 4$3%/мм

Рис. 9 Кольцевой вихрь, генерируемый одной Л-структурой (рис. 7е, / ~ 0.17 с).

ма похожи на те, что наблюдаются в переходе пограничного слоя с НГД, инициируемом гармонической волной "ГШ (глава IV), а также на те, что были зарегистрированы ранее в пограничном слое Блазиуса (также при гармоническом возбуждении). В то же время, в случае широкополосных возмущениях, вихревые структуры существенно несимметричны, они появляются в пограничном слое в случайных положениях во времени и в пространстве и похожи на когерентные структуры, наблюдаемые в развитом турбулентном пограничном слое. Этот результат подтверждает правомерность гипотезы о физическом сходстве фундаментальных механизмов порождения турбулентности, имеющих место в переходных и турбулентных пристенных течениях, а также идею о существовании универсального, существенно нелинейного механизма порождения пристенной турбулентности, высказанные ранее. Полученные в главе V результаты позволяют также высказать предположение о возможности создания детерминированной (модельной), постпереходной пристенной турбулентности, с помощью использования метода детерминированного шума.

В главе VI излагаются результаты эксперимента по исследованию сверхпоздних стадий перехода и постпереходного турбулентного пограничного слоя с главной целью изучения возможности создания модельной (детерминированной) пристенной турбулентности.

В п. 6.1 описана методика возбуждения контролируемых возмущений сплошного спектра и процедура измерений. Как и в экспериментах главы V, сигналы, подаваемые на источник возмущений, состояли из суперпозиции гармонической, почти двумерной волны неустойчивости и широкополосных волн ТШ, случайных во времени и пространстве. Последние были псевдослучайными на временах меньших Т,= 1Щ, но периодически повторяющимися с периодом Гг. Таким образом в этих экспериментах метод детерминированного шума был применён для изучения сверхпоздних стадий перехода. В отличие от главы V возмущения (в особенности широкополосные) имели значительно большую начальную амплитуду. Измерения выполнены в диапазоне значений продольной координаты* = 350+650 мм.

Пункт 6.2 посвящбн свойствам возмущений в начальном сечении (х = 350 мм) и на поздних стадиях перехода (х = 470 мм). Несмотря на более высокую амплитуду возбуждаемых возмущений, в начальном сечении не найдено заметного искажения исходного ламинарного среднего течения, профили амплитуд и фаз пульсаций слабо отличаются от собственной функции 2М волны ТШ, а форма осциллограмм близка к синусоидальной, т.е. слабо искажена широкополосными возмущениями. Для количественной оценки степени когерентности пульсаций скорости использован коэффициент когерентности С = й'/и', где и' —среднеквадратичная интенсивность полных пульсаций скорости потока, а й' — оценка среднеквадратичной интенсивности детерминированной (когерентной с источником, с периодом Гг) компоненты пульсаций, полученной после синхронного осреднения осциллограмм по ансамблю из 20+40 реализаций. Коэффициент когерентности визуализирован в плоскости (у, г) на различных стадиях перехода и в начальном сечении близок к 100%, а проекция мгновенного поля пульсаций скорости на стенку показывает квази-плоскую гармоническую волну со случайными искажениями, вызванными широкополосными возмущениями. При х = 470 мм возмущения вступают в стадию развитых Л-вихрей, которая примерно соответствует той, что наблюдалась в экспериментах главы V при * = 510+530 мм. Здесь в потоке возникают развитые Л-структуры и начинается формирование кольцевых вихрей, т.е. реализуется качественно тот же сценарий перехода, что и в экспериментах главы V. Профили полной интенсивности пульсаций скорости («% полученные в се-

чении х - 470 мм, уже заметно отличаются от собственной функции 2М гармонической волны ТШ (см., например, рис. 11а) и от профилей амплитуд пульсаций на частоте основной волны, а также от профилей среднеквадратичной интенсивности детерминированной (когерентной с источником, периодической с периодом Тг) компоненты пульсаций и', полученной после синхронного осреднения осциллограмм по ансамблю реализаций.

>■6, в

4 >'5!

Рис 10 Профили средней скорости по нормали к стенке в нескольких положениях вниз по потоку.

Рис. 11 Профили интегральных пульсаций скорости в нескольких положениях вниз по потоку.

Профили средней скорости потока уже заметно искажены в сечении х = 470 мм по сравнению с ламинарными (см., например, рис. 10а). Сравнение осциллограмм единичных реализаций с осциллограммами, полученными после синхронного осреднения и соответствующими детерминированной компоненте пульсаций скорости ¿(0, показывает, чш на поздней стадии перехода (х = 470 мм) возмущения сохраняют высокую степень когерентности с сигналом источника (т.е. периодичности с периодом Тт). Поле когерентности в плоскости (у, г) довольно однородно, а величина когерентности близка к 98-^-99%. Частотные спектры детерминированных и полных возмущений также мало отличаются друг от друга.

В п. 6.3 описаны свойства сверхпоздних стадий перехода и постпереходной турбулентности. Эволюция профилей средней скорости и среднеквадратичных пульсаций проиллюстрирована на рис. 10 (средняя скорость) и рис. 11 (пульсации) (п. 6.3. Л. После сечения х — 470 мм форма профилей средней скорости сначала изменяется очень быстро, они наполняются и, начиная с х « 560 мм, становятся характерными для тур-

булентного пограничного слоя, после чего их форма снова перестаёт изменяться. Сравнение профиля средней скорости при х = 590 мм с измеренным Клебановым и Дилем (1952) в турбулентном пограничном слое, отличий не показало. Профили пульсаций скорости до х = 440 мм изменяются довольно плавно, а на поздних стадиях (х = 440 и 470 мм) — быстро, как и на сверхноздпих стадиях (х - 500 и 530 мм). На постпереходных стадиях (х = 560+650 мм) форма стабилизируется и становится похожей на ту, что наблюдается в развитых турбулентных пограничных слоях.

На завершающих стадиях развития перехода спектры возмущений быстро наполняются в области высоких частот (пик на частоте основной волны исчезает) и становятся очень близки к типичным турбулентным. Об этом, в частности, говорит согласование скорости затухания спектральных амплитуд с частотой в области средних частот (инерционная часть спектра) с законом -5/3 Колмогорова (рис. 12а). В целом, анализ эволюции потока на сверхпоздних стадиях показал, что в последних исследованных сечениях течение в пограничном слое действительно является развитым турбулентным.

В п. 6.3.2 рассмотрена степень детерминированности возмущений и свойства когерентной части пульсаций скорости. Сравнение единичных и осреднёнлых по ансамблю осциллограмм пульсаций показало, что в сечениях х = 500+650 мм их форма уже очень далека от синусоидальной из-за бурного усиления широкополосных возмущений. Однако степень когерентности пульсаций остаётся здесь ещё очень высокой (96+73%) и единичные и осредненные осциллограммы близки друг к другу (рис. 13а). В последующих сечениях х = 590+620 мм детерминированность возмущений постепенно уменьшается (примерно до 60%) и форма осреднённых и единичных осциллограмм начинает отличаться всё сильнее (рис. 136). Наиболее быстро когерентность падает в пристенной области; это происходит преимущественно за счёт высокочастотных возмущений. Зависимость степени когерентности (детерминированности) возмущений от частоты характеризуется спектральными коэффициентами когерентности Cs(/)= -JSd(f)/S(f), где SA(j) — спектральная

плотность детерминированных пульсаций скорости (т.е. спеетр возмущений после их осреднения по ансамблю реализаций), a S(J) — спектральная плотность неосреднбнных (полных) пульсаций скорости. Пример указанных спектров приведён на рис. 12а, a соответствующее им распределение спектральной когерентноста (Cs) показано на рис. 126 вместе с распределениями, полученными ниже по потоку. Спектральные коэффициенты когерентности падают с частотой (и с продольной координатой), показывая, что высокочастотные, мелкомасштабные пульсации стохастизуются быстрее, чем низкочастотные. Однако степень детерминированности низкочастотных возмущений (до нескольких сотен Герц), соответствующих когерентным вихревым структурам, остаётся довольно большой даже в турбулентном течении,

Рис 12 Спектры детерминированных (1) и полных, неосредненных (2) пульсаций скорости (х = 560 мм) и спектральная когерентность (3,4,5) при х = 560, 590 и 620 мм. у = 2,71 мм, 2 = -8 мм.

0.2 (,с 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0

Рис. 13. Осциллограммы детерминированных (серые) и полных (чёрные) пульсаций в постпереходном пограничном слое.

что позволяет получить мгновенные поля течения на сверхпоздних стадиях перехода и в постпереходном турбулентном пограничном слое.

В п. 6.3.3 описаны вихревые структуры, наблюдаемые в постпереходном турбулентном течении (х = 560+620 мм) в виде проекций мгновенной скорости потока на стенку для двух диапазонов расстояний от стенки по отдельности (у от 0,2 до 0,6 мм и выше 0,8 мм). В пристенной части пограничного слоя наблюдается большое количество структур, подавляющее большинство которых сильно вытянуто вдоль потока. Такого сорта возмущения характерны для пристенной области турбулентных течений и часто называются полосчатыми структурами. Мелкомасштабные же (локализованные) структуры здесь быстро «вырождаются», что может быть связано, как с более быстрой потерей когерентности сигнала на высоких частотах, так и с физическими процессами, происходящими в пограничном слое в пристенной области. Во внешней части постпереходного турбулентного пограничного слоя заметно доминирование локализованных структур с малым продольным удлинением. Эти структуры отчётливо видны на всех трёх стадиях развития потока (х = 560, 590 и 620 мм) без сильных изменений их формы и амплитуды.

В п. 6.3.4 структуры постпереходного пограничного слоя визуализируются в плоскостях (-/, у) и (у, г). Л-структуры сформировавшиеся в переходном пограничном слое, продолжают развиваться и на сверхпоздних стадиях, а количество кольцевых

Рис. 14 Мгновенные поля пульсаций продольной скорости и{1, у), а, Ь, с: х = 500, 560 и 590 мм соответственно.

вихрей (шипов на осциллограммах), генерируемых каждой структурой, возрастает (рис. 14а). В постпереходном турбулентном пограничном слое (рис. 146, с) Л-структуры, сформировавшиеся в процессе перехода, постепенно исчезают (структура 1 на рис. 146), но порождённые ими кольцевые вихри в основном остаются, хотя их интенсивность постепенно падает. Возникшие же вновь структуры имеют здесь наибольшие амплитуды и занимают значительную часть турбулентного пограничного слоя по высоте (N1 и N2 на рис. 146, с). Анализ свойств структур показал, что полосчатые возмущения, наблюдаемые в пристенной области на сверхпоздних и постпереходных стадиях, соответствуют, в основном, ногам Л-структур на поздних стадиях их развития, сильно растянутым большим градиентом средней скорости. Локализованные же структуры, доминирующие во внешней части постпереходного турбулентного пограничного слоя соответствуют, в основном, кольцевым вихрям. Структуры, вновь возникающие на сверхпоздних стадиях перехода, несколько отличаются от возникших ранее, хотя их общие свойства схожи. В частности обнаружены Л-образные и кольцеобразные вихри.

В заключении отмечается, что проведённое экспериментальное исследование нелинейных стадий перехода и постпереходного турбулентного течения в дозвуковом пограничном слое (при числах Рейнольдса по длине 2+4-105) с неблагоприятным градиентом давления (параметр Хартри -0,115) позволило получить следующие основные результаты.

1. Предложен новый метод модельной (детерминированной) турбулентности для исследования пристенной турбулентности в постпереходном пограничном слое. Метод детерминированного шума впервые применён для изучения существенно нелинейных стадий перехода пограничного слоя, а также для экспериментальной реализации модельной турбулентности.

2. В пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления (НГД) обнаружено дабл-экспоненциальпое (экспонента в экспоненте) нарастание субгармоник в резонансных триплетах волн Толлмина-Шлихтинга (ГШ) с расстройками по поперечным волновым числам. Показано, что резонанс наблюдается в широком диапазоне расстроек, сравнимом с величиной резонансного волнового числа, причём этот диапазон возрастает по мере увеличения амплитуды основной волны неустойчивости. Обнаружено, что резонанс ослабевает с увеличением абсолютной величины расстройки волнового числа (в отличие от расстроек по частотам) и не реализуется для чисто двумерных мод. Взрывного усиления возмущений, предсказываемого некоторыми теориями, не найдено. Для случаев резонансов с расстройками по волновым числам подтверждён вывод о доминировании резонансных взаимодействий субгармонического типа на слабонелинейных стадиях перехода двумерных пограничных слоев.

3. В результате подробного исследования поздних нелинейных стадий перехода пограничного слоя с НГД, инициируемого гармонической, почти двумерной волной ТШ, обнаружено формирование вихревых структур типа Л-вихрей и кольцеобразных вихрей, а также ассоциируемых с ними Л-образных слоёв сильного сдвига и шипов на осциллограммах пульсаций. С помощью количественной компьютерной визуализация и анимации структур в пространстве {х, у, z, t) (по результатам термоанемометриче-ских измерений) показано, что обнаруженные структуры качественно весьма схожи с теми, что найдены в предыдущих экспериментах и расчётах (методом прямого численного моделирования) в различных сценариях перехода безградиентного пограничного слоя. Показано, что наличие умеренного НГД не оказывает существенного влияния на механизмы поздних стадий перехода.

4. Использование метода детерминированного шума для исследования поздних стадий перехода пограничного слоя с НГД, инициируемого широкополосными возмущениями (шумом волн ТШ) в присутствие гармонической волны ТШ, показало, что и в этом случае в пограничном слое формируются Л-вихри, Л-образные трёхмерные слои сильного сдвига, кольцевые вихри и шипы, качественно схожие с теми, что наблюдаются в сценариях перехода, инициируемых чисто гармоническими волнами ТШ. В то же время, обнаружено, что в присутствии мод сплошного спектра возмущения быстро стохастизуются, возникающие вихревые структуры существенно несимметричны и расположены в случайном порядке во времени и в пространстве. В этом случае поля структур" качественно похожи на те, что наблюдаются в развитых пристенных турбулентных течениях.

5. Показана возможность экспериментальной реализации постпереходной модельной, детерминированной турбулентности в пограничном слое, возбуждаемом контролируемыми широкополосными возмущениями. Основные осреднённые характеристики такой турбулентности (профили средней скорости, среднеквадратичных пульсаций и частотные спектры) близки к типичным турбулентным, однако в течении преобладают детерминированные возмущения, когерентные с возбуждаемыми и периодические на больших временах. Выявлены основные типы вихревых структур модельной турбулентности, найдено их качественное сходство со структурами, как формирующимися в переходной области, так и наблюдаемыми в развитой пристенной турбулентности.

6. Результаты работы в целом, подтверждают высказанную ранее гипотезу о существовании универсального нелинейного механизма порождения пристенной турбулентности, реализующегося в широком классе пристенных переходных и турбулентных течений.

Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в работах:

1. Рощектаев А.П. I. Рощектаев А.П. Поздние стадии перехода по1раничного слоя с неблагоприятным градиентом давления // Материалы ХХХГХ Междунар. научной студенческой конф. "Студент и научно-технический прогресс": Физика. - Новосибирск: Изд. Ново-сиб. гос. ун-та, 2001. С. 152.

2. Borodulin V.I., Kachanov Y.S., Koptsev D.B., Roschektayev A.P. Detuned subharmonic resonances and mechanisms of amplification of continuous-spectrum background perturbations in APG boundary layer // Boundary-Layer Transition in Aerodynamics. EUROMECH Collocquiun 423. - Stuttgart: Universitaet Stuttgart, Institute filer Aerodynamik und Gasdynamik, 2001 P.14-15.

3. Бородулин В.И., Качанов Ю.С., Копцев Д.Б., Рощектаев А.П. Экспериментальное исследование поздних стадий перехода пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: Тез. докл. Вссрос. конф. молодых учёных. - Новосибирск: Изд. Ин-та теор. и прикл. механики СО РАН, 2001. С. 36-37.

4. Бородулин В.И., Качанов Ю.С., Копцев Д.Б., Рощектаев А.П. Расстроенные субгармонические резонансы я механизмы усиления фоновых возмущений сплошного спектра в пограничном слое с НГД // Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Тез. докл. Междупар. конф. Вып. 8 / Под ред. В.В. Козлова. - Новосибирск: Изд. Ин-та теор. и прикл. механики СО РАН, 2001. С. 29-30.

5. Бородулин В.И., Качанов Ю.С., Копцев Д.Б., Рощектаев АЛ. Поздние стадии перехода пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления // Устойчивость течений гомо-18

генных и гетерогенных жидкостей: Тез. докл. Междунар. конф. Вып. 8 / Под ред. В.В. Козлова. - Новосибирск: Изд. Ин-та теор. и прикл. механики СО РАН, 2001. С. 31 -32.

6. Бородулин В.И., Качанов Ю.С., Копцев Д.Б., Рощектаев А.П. Точные и расстроенные субгармонические резонансы волн неустойчивости и их роль в переходе к турбулентности в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления // Восьмой Всерос. съезд по теор. и прикл. механике. - Екатеринбург: Уральское отд-ние РАН, 2001 .С. 114.

7. Рощектаев А.П. Формирование вихревых структур на поздних стадиях перехода пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: Тез. докл. VI Всерос. конф. молодых учёных - Новосибирск: Изд. Ин-та теплофиз. СО РАН, 2002. С. 65-66.

8. Рощектаев А.П. Поздние стадии перехода пограничного слоя с НГД инициируемого возмущениями сплошного спектра // Материалы XL Междунар. научной студ. конф. "Студент и научно-технический прогресс": Физика. - Новосибирск: Изд. Новосиб. гос. ун-та, 2002. С. 148.

9. Рощектаев А.П. Формирование вихревых структур на поздних стадиях перехода пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления: Квалификационная работа на соискание степени магистра. - Новосибирск: Изд. Новосиб. гос. ун-та, 2002.

10. Borodulin V.I., Kachanov Y.S., Gaponenko V.R., Roschektayev A.P. Universal coherent structures in a transitional boundary layer // Advances in Turbulence IX: Proc. 9 Eur. Turbulence Conf., Southampton, UK / Eds. LP. Castro, P.E. Hancock, T.G. Thomas. - Barcelona: CIMNE PubL, 2002. P. 719-722.

11. Borodulin V.I., Kachanov Y.S., Roschektayev A.P. Comparative study of coherent vortex structures in a boundary layer with adverse pressure gradient by means of a new experimental method // Intern. Conf. on Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt II. -Novosibirsk, 2002. P. 33-38.

12. Borodulin V.I., Kachanov Y.S., Koptsev D.B., Roschektayev A.P. Resonant amplification of instability waves in quasi-subharmonic triplets with frequency and wavenumber detunings // Intern. Conf. on Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt П. - Novosibirsk, 2002. P. 39-44.

13. Borodulin V.I., Kachanov Y.S., Koptsev D.B., Roschektayev A.P. Experimental study of resonant interactions of instability waves in self-similar boundary layer with an adverse pressure gradient: II. Detuned resonances // J. of Turbulence. - 2002. - Vol. 3: 063,22 pp.

14. Бородулин В.И., Качанов Ю.С., Рощектаев А.П. Экспериментальное исследование поздних стадий перехода к турбулентности в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления // Теплофизика и аэромеханика. - 2003. - Т. 10, № 1. - С. 1- 28.

15. Borodulin V 1., Kachanov Y.S., Roschektayev A.P. Experimental study of late-stage transition scenarios in an adverse-pressure-gradient boundary layer by deterministic noise method // The 5th Euromech Fluid Mechanics Conf.: Book of Abstracts. - Toulouse, 2003. P. 360.

16. Бородулин В.И., Качанов Ю.С., Рощектаев АЛ., Баке С. Экспериментальное исследование трёхмерной восприимчивости пограничного слоя к вихрям свободного потока при их рассеянии на локализованных вибрациях поверхности II Теплофизика и аэромеханика - 2004. - Т. 11, №2.-С. 189-202.

17. Borodulin V.I., Kachanov Y.S., Roschektayev А.Р. Application of deterministic noise method to investigation of turbulence production mechanisms in an adverse-pressure-gradient boundary layer // Intern. Conf. on Methods of Aerophys. Research. Proc. Pt П. - Novosibirsk, 2004.

»15778

18. Бородулин В.И., Качанов Ю.С., Рощектаев А.П. Порождение турбулентности в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления в процессе перехода, инициируемого случайными возмущениями // Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Тез. докл. Междунар. конф. Вып. 9 / Под ред. В.В. Козлова. - Новосибирск: Нонпарель, 2004. С. 29-30.

19. Бородулин В.И., Качанов Ю.С., Рощектаев А.П. верхпоздние стадии перехода пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления // Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Докл. молодёжной конф. Вып. X / Под ред. В.В. Козлова. - Новосибирск: Нонпарель, 2005. С. 27-30.

РНБ Русский фонд

2006-4 15428

Ответственный за выпуск А.П. Рощектаев Подписано в печать 26.08.2005

Формат бумаги 60 х 84/16, Усл. печ. л. 1.0 Уч. изд. л. 1.0, Тцмж 100 экз., Заказ №9

Отпечатано на ризографе ЗАО "ИНТЕРТЕК" 630090, Новоснбирск-90, Институтская, 4/1

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Рощектаев, Алексей Петрович

Основные условные обозначения.

Введение.

Глава I. Предшествующие исследования проблемы возникновения турбулентности в пограничных слоях.

1.1. Общее описание проблемы.

1.2. Стадии перехода к турбулентности.

1.2.1. Восприимчивость к внешним возмущениям.

1.2.2. Линейная устойчивость.

1.2.3. Слабонелинейные взаимодействия волн неустойчивости.

1.2.4. Существенно нелинейные стадии перехода.

Глава II. Развитие методов исследования нелинейных стадий перехода.

2.1. Малотурбулентная аэродинамическая труба.

2.2. Экспериментальная реализация автомодельного течения с постоянным отрицательным параметром Хартри и сравнение с расчётным.

2.2.1. Потенциальное течение.,

2.2.2. Пограничный слой.

2.3. Возбуждение трёхмерных волн неустойчивости контролируемого частотно-волнового спектра с помощью модифицированного универсального источника. Схема измерений.

2.4. Получение мгновенных пространственных полей скорости и завихренности течения и их отображение.

2.5. Методы исследования возмущений сплошного спектра.,

2.5.1. Метод детерминированного шума для изучения поздних стадий перехода.

2.5.2. Метод модельной турбулентности для исследования механизмов порождения пристенной турбулентности.

Глава III. Слабонелинейные стадии перехода пограничного слоя с IIГД. Влияние расстроек по поперечным волновым числам.

3.1. Начальные возмущения и режимы измерений.

3.2. Субгармонический резонанс волн неустойчивости.

3.2.1. Осциллограммы и спектры пульсаций скорости.

3.2.2. Собственные функции возмущений.

3.2.3. Характеристики трёхмерности.

3.2.4. Дабл-экспоненциальное усиление субгармоник.

3.2.5. Фазовый синхронизм волн в триплете.

3.3. Субгармонические резонансы с расстройкой по поперечным волновым числам.

3.3.1. Характеристики субгармоник с расстройками по поперечному волновому числу.

3.3.2. Нарастание амплитуд субгармоник с расстройками. Сопоставление со случаем точного резонанса.

3.3.3. Эволюция фаз субгармоник с расстройками и фазовый синхронизм с основной волной неустойчивости.^.

3.3.4. Спектральная ширина резонанса по поперечным волновым числам. щ

Глава IV. Поздние стадии перехода, инициируемого гармонической волной неустойчивости в пограничном слое с НГД.

4.1. Процедура измерений.

4.1.1. Модуляция по размаху и спектры возмущений скорости в начальном сечении.,

4.1.2. Начальные профили амплитуд и фаз частотных гармоник по нормали к поверхности.

4.1.3. Мгновенные поля начального возмущения скорости в пространстве {-t, у, z).i.

4.2. Формирование шипов и Л-структур.

4.2.1. Эволюция осциллограмм и частотных спектров.

Появление шипов во времени и пространстве.,

4.2.2. Деформация волновых фронтов, появление Л-структур и слоя сильного сдвига.

4.2.3. Форма Л-структуры в пространстве. Сравнение с пограничным слоем Блазиуса.

4.3. Дальнейшая эволюция вихревых структур. Порождение ф кольцевых вихрей.

4.3.1. Локализация и умножение шипов на осциллограммах пульсаций.

4.3.2. Генерация А-структурами кольцевых вихрей.

4.3.2.1. Возникновение локализованных областей низкой мгновенной скорости потока. Связь с шипами.

4.3.2.2. Форма кольцеобразных вихрей. Сопоставление со случаем безградиентного пограничного слоя.

4.4. Выводы о влиянии градиента давления на поздние стадии перехода.

Глава V. Нерегулярные когерентные структуры в переходе, инициируемом псевдослучайными возмущениями.

5.1. Процедуры возбуждения возмущений и сбора данных.

5.2. Начальные свойства возбуждаемых волн неустойчивости.

5.2.1. Распределения по размаху, спектры и осциллограммы возмущений скорости в начальном сечении.

5.2.2. Начальные профили возмущений по нормали к стенке и искажения среднего потока.

5.2.3. Мгновенные поля начальных возмущений скорости в пространстве (-1, у, z)■.

5.3. Формирование стохастизованных вихревых структур.

5.3.1. Эволюция осциллограмм. Зародыши шипов.

5.3.2. Формирование Л-структур и начало искажения среднего потока.

5.4. Последующая эволюция вихревых структур. Формирование кольцевых вихрей.

5.4.1. Локализация и умножение шипов на осциллограммах.

5.4.2. Эволюция A-структур и нарастание искажений среднего потока.

5.4.3. Порождение кольцевых вихрей.

5.5. Выводы в контексте гипотезы о структуре развитой пристенной турбулентности.

Глава VI. Сверхпоздние стадии перехода пограничного слоя с НГД.

Возможность реализации модельной (детерминированной) пристенной турбулентности.

6.1. Возбуждение контролируемых возмущений сплошного спектра и процедура измерений.

9 6.2. Свойства возмущений в начальном сечении и на поздних стадиях перехода.

6.2.1. Начальные возмущения потока.

6.2.2. Стадия развитых Л-вихрей.

6.3. Сверхпоздние стадии перехода и свойства постпереходной турбулентности.

6.3.1. Профили средней и пульсационной скорости и спектры возмущений на сверхпоздних стадиях перехода.

6.3.2. Степень детерминированности возмущений и свойства когерентной части пульсаций скорости.

6.3.3. Когерентные вихревые структуры в модельном турбулентном пограничном слое. Проекции на стенку.

6.3.4. Когерентные вихревые структуры в модельном турбулентном пограничном слое. Форма и расположение относительно стенки.

Введение диссертация по механике, на тему "Исследование нелинейных механизмов порождения турбулентности в переходном пограничном слое. Возможность создания детерминированной пристенной турбулентности"

Проблеме перехода ламинарных пограничных слоёв в турбулентное состояние посвящено большое количество, как экспериментальных, так и теоретических исследований в области механики жидкости и газа. Интерес к проблеме возникновения турбулентности обусловлен, без сомнения, её большим фундаментальным и прикладным значением, связанным с широким распространением явления ламинарно-турбулентного перехода в различных природных процессах, с одной стороны, и во всевозможных технических задачах и устройствах, с другой.

С фундаментальной точки зрения остаётся не решённой важная проблема теоретического описания пристенной турбулентности, которая тесно связана с проблемой описания процесса перехода ламинарных пристенных течений в турбулентное состояние. Несмотря на то, что многие задачи исследования различных этапов ламинарно-турбулентного перехода были успешно решены, ряд очень важных аспектов этого сложного явления остаётся неясным. Несомненно, что успешное развитие теории, а также методов прямого численного моделирования, немыслимо без их верификации путём сопоставления с экспериментальными результатами. Такое взаимодействие, в # частности, обеспечивает поддержку инженерных методов расчёта переходного и турбулентного пограничного слоя.

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

Положение и характер перехода к турбулентности зависит, как правило, от характеристик линейной устойчивости пограничного слоя по отношению к различным модам собственных возмущений и от его восприимчивости к разного рода внешним возмущениям. Однако, некоторые наиболее сильные механизмы нелинейных стадий перехода (такие, как резонансные взаимодействия мод неустойчивости) также могут оказывать существенное влияние на положение перехода, приводя к бурному (дабл-экспоненциальному) росту возмущений, которые по линейной теории устойчивости могут нарастать очень слабо, или даже затухать.

К настоящему времени задачи слабонелинейных взаимодействий мод неустойчивости довольно подробно исследованы экспериментально, теоретически и в рамках прямого численного моделирования переходных течений. Однако, большинство этих исследований выполнено для безградиентного пограничного слоя на плоской пластине (Блазиуса) и, в гораздо меньшей степени, для градиентных пограничных слоев, широко распространённых на практике. В частности, большой интерес представляет исследование указанных проблем в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления (НГД), поскольку во многих реальных ситуациях (например, на крыльях планеров и самолётов) переход часто происходит именно в области пограничного слоя с НГД. В предыдущих исследованиях обнаружено, что одним из доминирующих механизмов на начальных, слабонелинейных стадиях перехода является резонансное взаимодействие волн неустойчивости субгармонического типа. Коэффициенты усиления возмущений обусловленные, в частности, резонансными взаимодействиями достигают, как правило, на этих стадиях наибольших величин, значительно превышающих, как линейные инкременты, так и скорости нарастания на существенно нелинейных стадиях перехода. В то же время, доминирующие механизмы нелинейных стадий перехода пограничного слоя с НГД исследованы далеко не полностью. Например, возможность реализации резонансных взаимодействий волн неустойчивости при наличии существенных расстроек резонансных триплетов по поперечным волновым числам (которые часто встречаются при случайных, «естественных» возмущениях), остаются пока экспериментально не изученной, как и степень и характер влияния этих расстроек на усиление волн неустойчивости.

Изучение поздних, существенно нелинейных стадий перехода проводилось в течение многих лет в ряде экспериментальных групп, а также путём прямого численного моделирования переходных течений в рамках полных нестационарных уравнений Навье-Стокса. При этом основным объектом исследования был, как правило, простейший пограничный слой на плоской пластине (Блазиуса). Результаты исследований показали, что на поздних стадиях перехода волны неустойчивости трансформируются в концентрированные вихревые структуры нескольких типов, тесно связанные между собой. Было также найдено, что эти структуры обнаруживают свойства универсальности, в смысле слабой зависимости их характеристик от начального спектра возмущений. Измерения и прямое численное моделирования показали, также, что вихревые структуры, найденные в переходном пограничном слое очень напоминают когерентные вихревые структуры, наблюдаемые в развитом турбулентном пограничном слое. Это сходство привело некоторых исследователей к выводу о существовании глубокой физической аналогии механизмов порождения пристенной турбулентности в переходных и турбулентных течениях. Исследования этих процессов на поздних и сверхпоздних стадиях перехода стали в связи с этим очень актуальными, поскольку проведение соответствующих измерений в развитом турбулентном пограничном слое сопряжено с гораздо большими методическими трудностями.

Гипотеза об универсальности вихревых структур, обнаруженных как в переходных, так и в турбулентных течениях, нуждается, однако, в обосновании и дополнительном подтверждении. В особенности это относится к случаям перехода, инициируемого не гармонической волной неустойчивости (как в большинстве предыдущих экспериментов), а широкополосными (случайными) возмущениями, характерными как для «естественного» перехода, так и для турбулентного течения. Столь же актуальным является и вопрос о необходимости экспериментального исследования сверхпоздних стадий перехода (т.е. постпереходного турбулентного течения) в условиях контролируемых (детерминированных) возмущений. Исследования такого рода не проводились, хотя они чрезвычайно важны для углубления аналогии между процессами порождения турбулентности в переходных и турбулентных течениях и для более глубокого изучения этих процессов.

Отмеченные выше обстоятельства подчёркивают актуальность настоящей работы, которая посвящена экспериментальному исследованию трёх аспектов проблемы порождения турбулентности в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления. А именно, в работе изучены: а) триплетные резонансные взаимодействия трёхмерных волн неустойчивости на слабонелинейных стадиях перехода в присутствии расстроек по волновым числам; б) механизмы формирования и развития вихревых структур на поздних, существенно нелинейных, стадиях перехода при различных начальных спектрах возмущений; в) возможность создания модельной (детерминированной) турбулентности на основе применения метода детерминированного шума к исследованию постпереходного течения (т.е. сверхпоздних стадий перехода), в котором все основные осреднённые характеристики уже соответствуют развитому турбулентному пограничному слою.

Цель настоящей экспериментальной работы заключалась в следующем. С помощью методов контролируемых возмущений (включая метод детерминированного шума), провести подробное экспериментальное исследование механизмов нелинейного разрушения ламинарного пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления и изучить возможность создания модельной (детерминированной) пристенной турбулентности, При этом предполагалось решить следующие основные задачи: а) на слабонелинейных стадиях перехода исследовать свойства резонансных взаимодействий двух- и трёхмерных волн неустойчивости субгармонического типа в резонансных триплетах с расстройкой по волновым числам; б) изучить механизмы формирования и свойства вихревых когерентных структур, возникающих на поздних стадиях перехода, инициируемого квазидвумерной гармонической волной неустойчивости и сопоставить полученные результаты с предыдущими, полученными экспериментально и численно в пограничном слое Блазиуса; в) с помощью метода детерминированного шума исследовать процессы порождения и свойства вихревых структур, возникающих на поздних стадиях перехода, инициируемого широкополосными (квази-случайными) возмущениями частотно-волнового спектра в присутствии гармонической двумерной волны ТШ и сопоставить результаты с периодическим (детерминированным) случаем; г) изучить возможность создания (на сверхпоздних стадиях перехода) постпереходной модельной (детерминированной) пристенной турбулентности с осреднёнными характеристиками, соответствующими развитому турбулентному пограничному слою и исследовать её мгновенную структуру с помощью метода детерминированного шума.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы и содержит 228 страницы, включая 154 страниц текста, 92 иллюстрации и 172 наименований цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме "Механика жидкости, газа и плазмы"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Проведённое экспериментальное исследование нелинейных стадий перехода и постпереходного турбулентного течения в дозвуковом пограничном слое (при числах Рейнольдса по длине 2-^4*105) с неблагоприятным градиентом давления (параметр Хартри -0,115) позволило получить следующие основные результаты.

2. В пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления (НГД) обнаружено дабл-экспоненциальное (экспонента в экспоненте) нарастание субгармоник в резонансных триплетах волн Толлмина-Шлихтинга (ТШ) с расстройками по поперечным волновым числам. Показано, что резонанс наблюдается в широком диапазоне расстроек, сравнимом с величиной резонансного волнового числа, причём этот диапазон возрастает по мере увеличения амплитуды основной волны неустойчивости. Обнаружено, что резонанс ослабевает с увеличением абсолютной величины расстройки волнового числа (в отличие от расстроек по частотам) и не реализуется для чисто двумерных мод. Взрывного усиления возмущений, предсказываемого некоторыми теориями, не найдено. Для случаев резонансов с расстройками по волновым числам подтверждён вывод о доминировании резонансных взаимодействий субгармонического типа на слабонелинейных стадиях перехода двумерных пограничных слоёв.

Л-вихрей и кольцеобразных вихрей, а также ассоциируемых с ними Л-образных слоев сильного сдвига и шипов на осциллограммах пульсаций. С помощью количественной компьютерной визуализация и анимации структур в пространстве (х, у, z, t) (по результатам термоанемометрических измерений) показано, что обнаруженные структуры качественно весьма схожи с теми, что найдены в предыдущих экспериментах и расчётах (методом прямого численного моделирования) в различных сценариях перехода безградиентного пограничного слоя. Показано, что наличие умеренного НГД не оказывает существенного влияния на механизмы поздних стадий перехода.

4. Использование метода детерминированного шума для исследования поздних стадий перехода пограничного слоя с НГД, инициируемого широкополосными возмущениями (шумом волн ТШ) в присутствие гармонической волны ТШ, показало, что и в этом случае в пограничном слое формируются Л-вихри, А-образные трёхмерные слои сильного сдвига, кольцевые вихри и шипы, качественно схожие с теми, что наблюдаются в сценариях перехода, инициируемых чисто гармоническими волнами ТШ. В то же время, обнаружено, что в присутствии мод сплошного спектра возмущения быстро стохастизуются, возникающие вихревые структуры существенно несимметричны и расположены в случайном порядке во времени и в пространстве. В этом случае поля структур качественно похожи на те, что наблюдаются в развитых пристенных турбулентных течениях.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Рощектаев, Алексей Петрович, Новосибирск

1. Качанов Ю.С, Козлов В.В, Левченко В.Я. Возникновение турбулентности в пограничном слое. Новосибирск: Наука, 1982.

2. Жигулев В.Н., Тумин A.M. Возникновение турбулентности. -Новосибирск: Наука, 1987.

3. Гольдштик М.А., Штерн В.Н. Гидродинамическая устойчивость и турбулентность. Новосибирск: Наука, 1977. -366 с.

4. Возникновение турбулентности в пристенных течениях / А.В. Бойко, Г.Р. Грек, А.В. Довгаль, В.В. Козлов. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. -328 с.

5. Качанов Ю.С. Резонансная природа возникновения турбулентности в пограничном слое: Дис. . докт. физ.-мат. наук. — Новосибирск, 1990. -603 с.

6. Довгаль А.В. Экспериментальное моделирование эффектов ламинарно-турбулентного перехода в областях отрыва пограничного слоя: Дис. . докт. физ.-мат. наук. Новосибирск, 1996. -244 с.

7. Козлов В.В. Изучение последовательных стадий прехода к турбулентности в дозвуковых сдвиговых течениях: Дис. . докт. физ.-мат. наук. — Новосибирск, 1985. -516 с.

8. Гапонов С.А., Маслов А.А. Развитие возмущений в сжимаемых потоках. -Новосибирск: Наука, 1980. -144 с.

9. Косинов А.Д. Экспериментальное исследование волновых явлений при ламинарно-турбулентном переходе сверхзвукового пограничного слоя: Дис. докт. физ.-мат. наук. -Новосибирск, 1998. -331 с.

10. Семёнов Н.В. Экспериментальное исследование восприимчивости и устойчивости сверхзвукового пограничного слоя: Дис. . докт. физ.-мат. наук. -Новосибирск, 2000. -318 с.

11. Миронов С.Г. Исследование волновых процессов в гиперзвуковых и сверхзвуковых сдвиговых течениях: Дис. . докт. физ.-мат. наук. -Новосибирск, 2002. 374 с.

12. Kachanov Y.S. Physical mechanisms of laminar-boundary-layer transition //

13. Annu. Rev. Fluid Mech. 1994. - Vol. 26. - P. 411^182.

14. Morkovin M. On the many faces of transition. In Viscous Drag Reduction,

15. C, Wells, Ed., Plenum, New York, 1969 - P. 1-31.

16. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969.

17. Morkovin M.V. Critical evaluation of transition flow laminar to turbulent shearlayers with emphasis of hypersonically traveling bodies, AFFDL TR, 68-149,1968.

18. Козлов B.B., Рыжов O.C. Восприимчивость пограничного слоя: асимптотическая теория и эксперимент // Вычислительный Центр АН СССР, Сообщения по прикладной математике, 1988.

19. Kachanov Y.S. Three-dimensional receptivity of boundary layers // Eur. J. Mech., B/Fluids. 2000. - V. 19, N 5. - P. 723-744.

20. Гилев B.M., Козлов B.B. Возбуждение волн Толлмина-Шлихтинга в пограничном слое на вибраторе // ИТПМ СО АН СССР, Препринт № 1983, 1983.

21. Качанов Ю.С, Козлов В.В, Левченко В.Я., Максимов В. П. Преобразование внешних возмущений в волны пограничного слоя. в кн.: Численные методы механики сплошной среды. Т. 9. Новосибирск: ВЦ и ИТПМ СО АН СССР, 1978, № 2, с. 49-59.

22. Качанов Ю.С, Козлов В.В, Левченко В.Я. Генерация и развитие возмущений малой амплитуды в ламинарном пограничном слое при23