Развитие вихревых возмущений в локальных отрывных течениях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

; I 'I

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ

' Бойко Андрей Владиславович

РАЗШ1ИЕ ШРЕШХ ЮЗШРИЙ В ЛОКАЛЬНЫХ ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ■

• 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени ■ кандидата физико-математических наук

. На правах рукописи

Новосибирск - 1992 г.

Работа заполнена з Институте теорзглческог и прикладной механики СО РАН.

Научны? э/ководитеяь: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник В.В.Козлов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент Е.д.Терентьев; кандидат ¡шзико-математических наук В.А.Костомаха.

Ведущая организация : Центральны®, аэропиродинамичэский чнститут им. прор. Н.Е.Жуковского.

Защита состоятся "_"_ 1992г. в_часов.

на заседании специализированного совета К 003.22.01 по присуждению ученой сгепек:: кандидата наук в Институте теоретической и пгиклацног механлки СО РАН С630090, г.Новосибирск, 90, ул.Институтская 4/1, ИТГМ СО РАН).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГПМ СО РАЙ.

Автореферат разослан "_"_ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета К'003.22.01

к.т.н. — В.И.Корнилов

РОСС^С.*..«

I •

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.Актуальность темы. Проблема отрыва дозвукового потока остается б настоящее время во многом нерешенной. Типичные практические задачи, связанные с обтеканием профилей при умеренных числах Рейноль-дса и различного рода геометрических: неоднородностей на гладких телах обычно сопряжены с возникновением "от-рывных пузырей". В силу гидродинамической неустойчивости, возникновение отрыва пограничного слоя, как правило, в случае малотурбулентного свободного потока, сопровождается усилением возмуятений ламинарного течения,способствуя переходу к турбулентности. Другими исследователями уже получены результаты по процессам,происходящим на начальной стадии нарастания малых возмущений в течениях с переходом к турбулентности в самой зоне отрыва; установлено существование сильного нелокального влияния области перехода к турбулентности на харяктеристики течения выие по потоку. Однако детальное изучение последнего эффекта до сих Пор не проводилось,и возможность применения линейной теории . гидродинамической устойчивости для списания таких двумерных тече-• ;н:й ыяиваег определенные сомнения. Для решения указанной пробле-<'.:)>!■ поэтому представляется актуальным экспериментальное ксследо-■ ванне влияния Еперед механизмов, включаюяихся на нелинейном этапе развития вкхрьвых волн в чисю ламинарных, течениях, моделируя различные этапы нелинейных процессов. Кроме того, не менее важным представляется изучение области нелинейного развития и взаимодействия Е^зкутаений с целью понягь происходящие здесь физические явления, ответственнее за в- зннкновенне трехмерности и турбулизаиип потока.

Многообразие замкнутых отрывных Зин не ограничено лииь двумерными случаями; на практике, как птавило, возникают трехмерные отрывы потока. Изучение локальных трехмерных отрывных течений сопряжено с определенными методическими и техническими сложностями, к нсстс.яшему времени существует очень ограниченное число экспериментальных исследований по неустойчивости и переходу к турбулентности для отдельных классов трехмерных потоков. Нелинейная стадия развития бегущих возмущений практически не исследовалась. В связи с этим представляются иелесообразными исследования стадий переходе к турбулентности в различных простых трехмерных ситуациях, совокупность, информации о которых имея самостоятельное значение, может служить также базой для понимания процессов, происходящих и в более сложных трехмерных ситуациях.

Цель раоогы заключалась в экспериментальном изучении свойств вихревых возмущений, развивающихся в течениях,с локальными областями отрыва. В том числе: устойчивости отрывных течений по отношению к малым вихревым возмущениям» нелинейных механизмов, включающихся при достижении пульсациями скорости конечных амплитуд и их влияния на развитие течения выа.е по потоку, механизмов появления к усиления трехмерной структуры исходного двумерного течения, влияния трехмерности поверхности на развитие воэмушений в зоне отрыва.

Научная новизна. В течении в области отрыва на прямом крыле обнаружены различные нелинейные механизмы, игравшие роль при переходе к турбулентности в зависимости от начальной амплитуды вводимых возмущений; впервые зафиксировано нелокальное воздействие возмущений развивающихся в отрыве, на формирование низкочастотного спектра пульсаций скорости выше по потоку.

В классе отрывных течений с ламинарным присоединением потока впервые показано, что нелокальное влияние нараставших колебаний.на среднее течение и низкочастотный фон пульсаций может иметь место безотносительно к переходу к турбулентности в течении, определяясь нелинейными процессами в отрывной зоне. Обнаружено, что .чувствительность среднего течения к нараставшим колебаниям не является принципиальным препятствием для анализа линейной устойчивости отрывных течений. Получены результаты по устойчивости таких течений.

Показано, что одним из эффективных механизмов стохастизэции течения зе. точкой отрыва могут служить параметрические резонансы, возникающие на трехмерных возмущениях из широкого волнового спектра затравочных колебаний.

Для простых классов трехмерных течений показано, что основные механизмы развития возмущений сходны с процессами, происходящими в двумерных течениях, получены данные по устойчивости и нелинейной стадии перехода к турбулентности в этих течениях.

Научная и практическая ценность. Результаты, . изложенные в диссертационной работе, свидетельствуют о возможности существенного, затягивания перехода к турбулентности при интенсивном возбуждении двумерных вихревых возмущений в локальных зонах отрыва; получены данные по устойчивости и нелинейным механизмам, которые могут принести пользу в моделировании процессов перехода к турбулентности и структуры локальных отрывных зон; показана определявшая роль начального частотно-волнового спектра возмущений в развитии трехмерных структур и турбулиэации отрывного течения, необходимость их контроля с цельэт пролонгирования ламинарного участка течения.

На защиту выносятся: результаты экспериментального исследования нелинейных механизмов, имеющих место в локальных отрывных течениях при введении в поток одной и двух неустойчивых волн; результаты экспериментального исследования структуры среднего течения вблизи двумерных неровностей плоской пластины; результаты по нелокальному влияние нарастающих возмущений на среднее течение и низкочастотные пульсации в ламинарных отрывных областях; экспериментально исследованные характеристики вихреЕых колебаний, развивающихся за двумерным выступом плоской поверхности; результаты исследований развития возмущений в "квазитрехмерных" замкнутых зонах отрыва.

Аппробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН и представлялись на Международной конференции Евромех 228 по неустойчивости и переходу в пограничном слое (Экзетер, Англия, 1987), Международном ИГОШ-симпозиуме по отрывным и струйным течениям (Новосибирск,1990),Всесоюзном семинаре по гидродинамической устойчивости и турбулентности (Новосибирск, 1989), Всесоюзной конференции молодых ученых (ИТПМ СО РАН, Новосибирск), Всесоюзных студенческих научных копференциях (МФТИ, Москва, 19В7, 1988 и НГУ, Новосибирск, 1987-1989), а также в Королевском технологическом институте (Стокгольм, Швеция, 1992) и опубликованы в работах [1-9].

Объем работы, ^ссертация состоит из введения, б-ти глав, заключения, списка литературы из 176 наименований, изложена на 1бб стр., включая 79 рисунков-.

СОДЕРЖАНИЕ , РАБОТЫ

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

В первой главе дается обзор существующих результатов по переходу к турбулентности в локальных отрывных течениях. Указывается место настоящей работы в ряду других исследований.

Вопросы,поставленные1перед работой, исследовались для локальных отрывов потока, возникающих в различных ситуациях в стационарном малотурбулентном потоке. Малый уровень возмущенности свободного потока (£4 0,04%) позволил минимизировать неконтролируемые эф|>екты в изучаемых явлениях и оперировать искусственно возбужденными возмущениями с регулируемыми свойствами.

Вторая глава посвящена обзору моделей, использованных для создания, отрывных течений (рис.1); способам введения контролируемых возмущений, методам и ошибкам измерений.

Исследуемые модели располагались в рабочей части малотурбулентной аэродинамической трубы дозвуковых скоростей Т-324 ИГШ СО РАН. Монохроматические вихревые колебания регулируемой амплитуды и частоты возбуждались в отрывных течениях с помощью вибрирующей ленты, расположенной в пограничном слое или в результате преобразования звуковых колебаний, излучаемых громкоговорителем в задней части рабочей камеры трубы. Основше результаты были получены с помощью комплекса термоанемсметрической аппаратуры 55Ь001>15А . Средние и пульсационные характеристики фиксировались однониточным датчиком.

Положение области отрыва фиксировалось при измерении профилей средней скорости у поверхности моделей в сочетании с измерениями трубкой полного напора (эксперименты на моделях крыла).

Третья глава посвящена отрывному течению, возникавшему при обтекании двумерного крылового профиля. Под действием неблагоприятного градиента давления в средней части профиля происходит отрыь ламинарного пограничного слоя, сопровождающийся переходом к турбулентности в самом отрывном течении и последующим вторичным присоединением потока (рис.2).

При возбуждении в течении контролируемых возмущений измерялись распределения продольной компоненты пульсаций скорости, их спектраль ный состав, распределение амплитуд колебаний вдоль области отрыва. Обнаружено, что характер перехода к турбулентности в локальной отрывной зоне может быть различным в зависимости от спектра пульсаций , формирующегося в к нце области линейного усиления. Б том случае, когда в начальном спектре существует выделенная интенсивная гармоника, течение на большом протяжении сохраняется, регулярным сс спектром,представляющим набор высиих гармоник основной частоты (рис.3 ). При белее однородном начальном спектральном распределении в нелинейной области, наряду с генерацией высших гармоник, происходит быстрое заполнение низкочастотной части спектра, благодаря, прежде всего, резонансному параметрическому возбуждению субгармзникн. Обшей .особенностью обоих случаев является существенная цвумерность нелинейных механизмов на начальной стадии взаимодействия, как это имеет место в свободных сдвиговых течениях.

Глава 1У посвяшенэ списанию экспериментов по исследованию-отрывного обтекания ламинарным пограничным слоем двумерных выступов малой высоты на поверхности плоской пластины (модели 3-5, рис.1). Обтекание элементов неровности сопровождалось отрывом ламинарного

б

пограничного слоя с образсванйем областей рециркуляции с неустойчивым. течением. Для генерации двумерных, монохроматических колебаний .применялась методика вибрирующей ленты. Измерения показали, что также как и в течениях с турбулентным присоединением потока, в ламинарных отрывных течениях тоже имеет место нелокальное влияние нарастающих возмущений на средние характеристики течения и низкочастотный нестационарный фон пульсаций скорости, однако оно становится заметным лишь при превышении амплитуды колебаний в конце • области отрыва'—от внешней скорости течения (рис.4) и связано с нелинейным развитием волны неустойчивости. Коэффициенты нарастания, полученные в режимах с влиянием на среднее течение и без него совпадают.

Возбуждение в начальном спектре, возмущений выделенных гармоник •приводит.к нелокальному уменьшению в нем фона естественных пульсаций.на низких частотах (рис.5). Этим можно объяснить наблюдавшуюся. в Главе Ш смеку режимов перехода в зоне отрыва, когда по мере"увеличения амплитуды возбуждения генерация субгармсники замедлялась.

В Главе У приводятся результаты, исследований механизма' возникновения трехмерности в исходно двумерном отрывном течении через ■возбуждение различных пространственных субгармонических компонент.

Выше отмечалось, что на начальном ^листке области нелинейных взаимодействий структура течения оставалась сушественно двумерной. С другой стороны эта двумерность обеспечивалась хсроким качеством потока в рабочей.части аэродинамической трубы и поверхностей ис-'пользуемых моделей, а также введением в поток контролируемых плоских двумерных возмущений.

. Возможность генерации трехмерности в течении резонансными механизмами продемонстрирована в экспериментах на модели 4 (рис.1). Вьие по потоку от точки отрыва располагались дЕе вибрирующие ленты .- одна параллельно размаху модели, а другая под некоторым углом к нему. На вторую ленточку подавался затравочный сигнал половинной по отношению к сигналу на первой ленте частота. Специальный прибор обеспечивал постоянство фазового сдвига электрических сигналов, подаваемых на ленточки. Результаты измерений показали, что скорости распространения вдоль потока вводимых возмущений разных частот с фронтами, развернутыми под углами до —40° по отноиению к направлению вдоль препятствия, практически совпадают, обеспечивая фазовый синхронизм колебаний и могут приводить к усилению как двумерных, так и трехмерных субгармонических пульсаиий (рис.6).

В шесюй. заключительной главе, излаггтатся результаты исследования особенностей развития вихревых возмущений в простейших трехмерных отрывных течениях: на сксльзяшеы крыле, за препятствием в ссесимыетриодом пограничном слое и за гладкой трехмерной неровностью в пограничном слое (модели 2,6,7 и 8 рис.1).

Исследование в области лекального отрыва на скользящем крыле (с углом скольжения ЗС°) было предпринято для выяснения осноеных черт этапа нелинейных взаимодействий. Контролируемое бегущие везцу-шения вводились в пограничном слое вьке по потоку от точки отрыва при пемеши двух вибрируотих лент, расположенных параллельно передней кроь.ке модели, и .распространяясь вниз по потоку, преобразовыЕЭ-.тиг:-, в собственные возмущения отрывного течения. Полуиекч данные по изменению процесса переходя в зависимости от интенсивности внешнего возбуждения; увеличение нечольной амплитуды гармонических колебаний то с. бствует белее поздней стохгстизггик течения. В геле;.;, усыновлено, ото основные нелинейные механизмы в сблгети отрыва на крыле с углом скслмекия качественно рналогичны процессам на прянем крыле !рис.7).

В течении зг осесимлотричным уступом н-1 теле вращения проводилось изучение влияния кривизны нг развитие малых возмущений. Контролируемые возмущения вводились при пемогои звуковых колебаний, которые преобраэ~ьывалясь на уступе поверхности в собственные колебания отрывного течения. Результаты измерения инкрементов колебаний показывают, что осесимметричным течением свойственна относительно мень-

неустойчивость по сравнению сс схожими плоскими реализациями и эффекгы вязкости играют в них большую роль (рис.8)-

3 последней части главы приводятся результаты по развитию возмущений аа трехмерной неровностью плавной формы (см.модель 6, рис.1) вытяну!ой поперек течения. В следе за неровностью зафиксировано возбуждение локализованного по 2 пакета колебаний малой амплитуды, который расширяется к нарастает вниз по потоку, вызывая переход к турбулентности. При возбуждении течения звуком исследованы фазовые и амплитудные распределения генерируемых колебаний (рис.9 ). Характеристики расшивания пакета зг неровностью схожи с характеристиками раоплывания линейного пакета в"двумерной зоне отрыва.

В заключении сформулированы основные результаты и еывсды: I. Стрябстяна методика изучения нелинейных процессов в локальных отрывных течениях. Получены данные" по основным нелинейным процессам, протекающим в двумерных отрывных

течениях. Изучен? зависимость этих процессов от начального час-тотно-волновогс спектра и амплитуд вводимых возмушений.

2. Получены результаты по нелинейной стадии перехода к турбулентности в зоне отрыва на прямом крыле в зависимости от спектра пульсаций ск.рости, формируюшегося в конце области линейного усиления. Впервые обнаружено нелокальное воздействие вихревот колебаний, рэзЕивзюшихся в отрыве, на сформирование низкочастотного спектра возмущений. Обнаружена возможность генерации двумерной субгар-менкки и выси.их кратных гармоник возбуждаемой волны. Выявлена важная роль этих спектральных компонент, а также комбинационных мод

в процессе перехода.

3. В классе отрывных течений с ламинарным присоединением потока показано, что возмущения,нарястэюшие в области отрыва, могут приводить к заметной нелокальней перестройке среднего и пуль опционного течений, которая определяется совокупностью нелинейных процессов, происхсдягих в отрывной зоне. Найдено, что если вводимые вг-змутения остаются достаточно малыми на протяжении всей отрывной области, влияние нэ среднее течение и низкечгстотнкй фон отсутствует. Получены данные по линейной устойчивости таких течений. Показано, иге чувствительность отрыЕНСй эсш к колебаниям малых амплитуд не являете« препятствием для енглкза линейной устойчивости о;-рывных течений как .с ламинарным, тек и турбулентным приссед; некоем потока.

4. Установлена роль пространственных субгармонических Еи-э:.у-шеккй в процессе перехода к турбулентности в отрывных течениях. Найдено, что условия фазового синхронизма и субгармонические параметрические резенанен могут эффективно реализс выва ться на трехмерных возмущениях из и.ирокого диапазона волнового спектра суб-гармсники, приведя к появлению и быстрому нарастанию трехмерности в течении.

5. Получены данные по развитию вихревых поэмушений и пррехолу. к турбулентности в простых трехмерных лекальных стрыЕКых течениях. Установлено, что основные механизмы, связанные с неустойчивость''1

и процессом перехода в них, несмотря на наличие вторичных текгв или кривизны поверхности различного типа, качественно схожи с процессами, происходящими в двумерных локальных отрывных течениях.

1. Бойко Z.B.-, Довгаль A.B., Козлов B.B., Щербгков В./. Неустойчивость течения в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя на малой неровности поверхности // Изв. АН СССР. ШГ.-1590.-№1.-С.16-22.

2. Бойко A.B., Довгаль A.B., Козлов В.В.Симонов O.P., Щербаков В. А. Отрыв ламинарного течения на двумерном препятствии в пограничном слое.-Новосибирск, IS68.-24с.(Препринт) АН СССР. Сиб.отд-ние Ин-т теоретической и прикладной механики; !?7.

3. Еойкс /.В., Довгаль A.B., Щербаков В.А. Воздействие малых возмущений на течение в зоне отрыва ламинарного пограничного слся.-Новосибирск, I99I.-2IC. (Препринт/АН СССР. Сиб.отд-ние Институт теоретической и прикладной механики; №5-91).

4. Бойко Р.В,, Дсвгаль A.B., Козлов В.В. Нелинейные взаимодействия возыутений при переходе к турбулентности в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя // Изв.СО АН СССР. Сев.техн.наук.-1988- №18.- Вып.5.- С.44-49.

5. Бойко A.B., Довгаль A.B. Неустойчивость локальных отрывных течений к возмущениям малых амплитуд // си<5. физ.-тех. ну риал.-1992.-вып. 3.-0.19-2^.

6. Бойко A.B., Довгаль /.В., Козлов В.В., Щербаков В.А. Влияние неровности поверхности нг устойчивость пограничного слоя и его восприимчивость к звуковым колебаниям потока // Новосибирск, 1989.-Боссоюзный семинар по гидродинамической устойчивости и турбулентности) (/Н СССР Сиб.отд-ние Институт теплофизики), C.II2.

7. Бойко A.B., Довгаль A.B., Козлов В.В., Щербаков В.А. Неустойчивость и восприимчивость погрзннчного слоя в окрестности двумерных неоднородностей поверхности // Изв. СО АН СССР.- 1990.-Сер.техн.неук.- вып.1.- С.50-56.

С- Boiko А.V. , DoVgal А.V. , Kozlov V.V. Nonlinear stage of transition ill laminar separation bubble // In: Boundary layer etability and transition, Buromech 228, Exeter, England, 1987.

9. Boiko A.V. , Dot gal A.V. , Scherbakov 7.A. , Slmonov 0. A. Effects of laminar-turbulent transit ion 1л separation bubble//. In: Separated Plows and Jets, IUTAM Symposium, Hovoaibirsk, 1990, Berlin: Springer, 1991, P.565-572-

Модели I и 2 (прямое и скользящее крыло)

0 0.3 1.1 т и» К!

0.1 1.Г '».Г И* 1%/ ♦Л«

юг /40 /V На но гго по «« но

еуе "А Ч* лг/ г*,» По о,«

390 «С

7ТГ7ГТГГТ»

10 мч

5

1.65 мм

! > Г

В»1мм

Модель Ц П. -5,7 и/с

400 ми 5 мм

Модель 3

0-6,6 и/а _.

Д.

100 им, 150 мм Моде» 5

=> ч. 500мм

пластика

Иодедь б Ц» -5 м/а

ПК У,

Гм» М>[*Ш= мм

([ й.гнн

пластика

3,6 мм

" < * г - г -

-030 мм Модель 7

Модель 8

ь

Ь-250 мм , Ь *2,7мм тело вращения

1^50 мм, Ь*1,9мм ии»8.5 м/с

• I I 1 / I г

Рио.Г. Использованные модели.

едо "Т50 550 ЙЯЛс.мм

Рис.2. Структура отоивяого течения на прямом крале.

Рис.3. Зависимость процесса перехода п турбулентности от амплитуды возбуждения, модель I, Х=510 мм,£ »112 Гц, и/и с =0,43. "Начальная" (и'.) амплитуда возбуждения дааа для сечения Xм450 мм.

3,

t

Щи.

/. 2£ 3£ Пд

0,1

0,01

500 550 600 650 700 Х.ин

Рис.4. Развитие возмущений в зоне отрыва за уступом поверхности (модель 5), £,=94 Гц. о - без влияния на среднее течение о - с влиянием на среднее течение

1 - без зозбуяденил течения 2-е возбуждением течения

25

50

75

£,Гц

Рис.5. Подавление нерегулярных низкочастотных пульсаций в зоне отрыва за выступом поверхности (модель 4). Х=410 мм, У=2,5 мм, £ =65 Гц, и^ =0,22% П. .

X / N х

Jjy^ «oonst ji^ -const

*ul

ta

-линейное f*/2 развитие oui -ПРИ

jo/2 резонансе

W 450 440 45СГ 440 Х,мм

Рио.6. Схема фазовых фронтов и нарастание субгармоник вдоль оси X;

ю i

од 0,01

/

/ л с

/ /

Г / У

* "л

ок,

V*

450 . , 500 Х.мм 550

Х=420 мм

О 20 40 60 80 f ,Гц

Рйо.7. Нелинейные процессы на скользящем криле

a - возбужден:« суб- и. супергармоник вводимой волны; . б - подавление низкочастотных пульсаций "I - спектр без введения волны; • 2 - спектр о волной £=»81 ГЦ.

0,15 0,10 0,05

6

<=¿4 5

4 5 б 7 . 8 Н

Рис.8. Зависимость максимальных коэффициентов

нарастания от величины |юрмпараметра для различных отрывких течений: 1-6 двумерные модели, д- модель 7, о - модель 8.

301X,мм

25-

го

15

юл

липки пост янкой §азы (ша.гзг/5)

15

0,05

и; /и0,%

¿о

ЛИНИИ ПОСТОЯННОЙ амплитуды

10

5

_4 г,мм

5 10 15 Рис. 9 . Распаивание волнового пакета за трехмерной

неровностью плоской пластины, £=132 Гц," и4ил=0,26.