Исследование нелинейных механизмов порождения турбулентности в переходном пограничном слое. Возможность создания детерминированной пристенной турбулентности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Рощектаев, Алексей Петрович

• Рощектаев, Алексей Петрович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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», Рощектаев, Алексей Петрович

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.

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.

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-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.

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 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.

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Рощектаев, Алексей Петрович, 2005 год

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