Возникновение и развитие возмущений малых амплитуд в трехмерных отрывных течениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Симонов, Олег Анатольевич

• Симонов, Олег Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Симонов, Олег Анатольевич

Список основных обозначений.

Введение.

Глава

Средства и методики проведения экспериментов.

1.1. Описание установки и моделей.

1.1.1.Краткая характеристика аэродинамической трубы

1.1.2. Экспериментальные модели.

1.2.Комплекс измерительной аппаратуры и методики измерений.

1.2.1.Измерение статического давления.

1.2.2. Измерение средней скорости течения.

1.2.3.Измерение амплитудно-фазовых характеристик возмущений.

1.3.Методики введения искусственных возмущений.

1.3.1.Введение возмущений вибрирующей лентой.

1.3.2.Возбуждение волн неустойчивости акустическими колебаниями.

1.3.3.Введение возмущений точечным источником.

1.4.Методика обработки результатов измерений.

1.4.1. Определение инкрементов нарастания.

1.4.2. Особенности обработки экспериментальных данных для Фурье анализа

Глава

Развитие вихревых возмущений малых амплитуд и их генерация в трехмерном отрывном течении над скользящим крылом.

2.1.Структура среднего течения.

2.1.1. Структура течения над крылом с углом скольжения х=30°.

2.1.2. Структура течения над крылом, х=58,4°.

2.2.Устойчивость течения на скользящем крыле.

2.2.1. Развитие волнового пакета возмущений от точечного источника.

2.2.2. Развитие волны, возбужденной вибрирующей лентой.

2.2.3. Развитие наклонных волн.

2.2.4. Ламинарно-турбулентный переход на скользящем крыле с х=58,4° в «естественных» условиях.

2.2.5. Развитие искусственно созданной волны на крыле с х=58,4°.

2.3. Влияние возмущений на среднее течение.

2.3.1. Изменение структуры течения плоской вихревой волной.

2.3.2. Влияние волнового пакета возмущений на среднее течение.

2.3.3. Изменение структуры течения над крылом с х=58,4°.

2.4. Восприимчивость пограничного слоя к акустическому возбуждению.

2.4.1. Возникновение вихревых волн над скользящим крылом с х=30°.

2.4.2. Генерация вихревых волн на искусственно созданной неоднородности поверхности.

2.4.3. Возникновение возмущений на скользящем крыле с х=58,4°.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Возникновение и развитие возмущений малых амплитуд в трехмерных отрывных течениях»

Отрыв потока от обтекаемой поверхности - фундаментальное физическое явление широко распространенное в природе. Возникающий при движении летательных аппаратов, надводных и подводных судов, в различного рода каналах технологических установок, в турбинах и трубопроводах отрыв потока в значительной мере определяет аэрогидродинамические характеристики объекта, влияет на эффективность работы устройств. Обычно, появление отрыва нежелательно, так как его возникновение сопровождается усилением вибраций, ухудшением теплопередачи и т. п. Но в некоторых случаях отрыв потока вызывают специальным образом, например, для улучшения процессов перемешивания, горения и т.д.

В случае двумерного установившегося течения под термином отрыв потока обозначается ситуация, в которой пристенный слой жидкости отходит от поверхности тела и вблизи неё возникает возвратное, против направления внешнего потока течение: образуется область (зона) отрыва пограничного слоя. Современные представления об явлении отрыва потока обсуждаются в обзорных работах [1, 24, 82, 96, 147, 154, 172, 260, 261, 282, 287, 288].

Физическая сущность явления отрыва потока от обтекаемой поверхности впервые была дана Прандтлем [125]. Согласно его концепции, возникновение отрыва пограничного слоя (в двумерном случае) связано с положительным градиентом давления, который тормозит жидкость, движущуюся в вязком пограничном слое. Более эффективно тормозятся частицы вблизи стенки, так как они обладают наименьшим запасом кинетической энергии. Профиль скорости постепенно становится все менее наполненным (схематично этот процесс показан на рис.1) и в некотором сечении происходит остановка течения вблизи стенки. Ниже по потоку возникает область возвратного течения, которая, оттесняет сдвиговый слой от поверхности. За точку отрыва потока принимают точку с нулевым поверхностным трением, т.е. такую в которой (Ш/сГУ^О.

Отрыв трехмерного потока может происходить и без нулевого трения на стенке и возвратного течения; из-за неоднородности по поперечной координате жидкость огибает недоступную для нее область. В этом случае отрыв определяют по отходу поверхностных линий тока от стенки. Линия отрыва - огибающая поверхностных линий тока на обтекаемой поверхности. Классификация трехмерных отрывных потоков приведена в [9, 287, 288].

Рис. 1. Схема возникновения отрыва потока; Б - точка отрыва потока; И скорость потока.

- средняя

Проблема отрыва потока - классическая задача механики жидкости и газа, уже второе столетие привлекающая внимание исследователей. Этот интерес обусловлен универсальностью явления отрыва и его важностью в технических приложениях. Основные сложности в описании явления отрыва потока вызваны тем, что как показывают экспериментальные исследования, отрыв пограничного слоя является одним из основных факторов, стимулирующих возникновение турбулентности в пристенной области течения. На практике часто реализуется режим течения, в котором ламинарно-турбулентный переход происходит в пределах области отрыва или вблизи неё: возникает отрывная зона переходного типа. Структура течения в отрывной области зависит от ламинарно-турбулентного перехода, который в свою очередь, является сложным процессом, чувствительным к слабым изменениям условий обтекания. Следовательно, корректное описание отрывного течения невозможно без понимания и описания явления ламинарно-турбулентного перехода в нем.

Упрощенная схема локального переходного отрывного течения для номинально двумерной области отрыва изображена на рис.2. Её основные элементы включают отрыв ламинарного пограничного слоя, последующий переход к турбулентности и присоединение турбулизованного течения. Более подробные схемы, поясняющие структуру течения в переходных зонах отрыва, приводятся, например, в работах [19, 72, 170].

Традиционное направление исследований областей отрыва переходного типа заключается в определении параметрических зависимостей основных характеристик течений от условий возникновения отрыва [8, 51, 94, 120, 170, 171, 257, 287].

Яамтщто

Рис.2. Схема локального отрывного пузыря в переходном режиме течения.

Определенные опытным путем корреляции (для примера, данные о положении перехода к турбулентности в зоне отрыва), используются в расчетах с применением эмпирических соотношений [22, 28, 35, 41, 43, 134, 169, 235]. Следует отметить, что в переходном режиме течения данные, полученные разными авторами, имеют значительный разброс и в каждом конкретном случае область применения эмпирических корреляций невелика.

Другое направление в изучении отрывных течений переходного типа состоит в описании и моделировании процесса возникновения турбулентности за точкой отрыва потока.

Исследуя пульсационные характеристики течения в отрывных зонах, авторы различных работ регистрировали различными экспериментальными средствами возмущения ламинарного оторвавшегося слоя, нарастающие за точкой отрыва в направлении потока. Одно из первых исследований, в котором были зарегистрированы нарастающие вихревые возмущения, проведено Гастером в 1967 году [55].

Визуализация обтекания крыла с отрывным пузырем вблизи его передней кромки, проведенная в работах [7, 179], зафиксировала искривление полос дыма в области ламинарно-турбулентного перехода, что является следствием развития волн неустойчивости. Волновые возмущения в зоне отрыва были зафиксированы в экспериментах [56, 129]. Результаты этих исследований согласуются с данными измерений пульсаций скорости в областях отрыва на крыльях, которые приводятся в [19, 31, 85, 211]. Вихревые возмущения, развивающиеся в отрывной области, зафиксированы также в натурных экспериментах [6, 155]. Данные упомянутых исследований дают основание полагать, что переход к турбулентности в областях отрыва ламинарного пограничного слоя является следствием пространственного усиления вихревых возмущений первоначально малой амплитуды, и служат экспериментальным обоснованием физической модели ламинарно-турбулентного перехода в отрывных течениях. Следовательно, существует возможность применить к исследованию процесса ламинарно-турбулентного перехода в отрывных течениях подход, развитый для пристенных и свободных сдвиговых слоев [224, 231]. Для описания явления ламинарно-турбулентного перехода в отрывных течениях правомерно выделение четырех относительно независимых задач (рис.3), это; 1 - возникновение вихревых возмущений в отрывном течении под действием «внешних» факторов («восприимчивость»); 2 -развитие вихревых возмущений малых амплитуд; 3 - нелинейные свойства возмущений - волновые взаимодействия; 4 - обратное влияние возмущенного течения на структуру течения в области отрыва потока.

Развитие волн неустойчивости малой амплитуды в ламинарном потоке (задача 2) может быть описано в терминах линейного приближения теории гидродинамической устойчивости [49, 66, 184,

Область тшеиной неустойчивости

Нелинейное взаимодействие возмущений

Обратное влияние

Рис.3. Задачи, возникающие при описании ламинарно-турбулентного перехода в локальных зонах отрыва.

251], что подразумевает локальную зависимость свойств возмущений от основного течения.

Следует отметить, что принципиальная возможность применения линейной теории устойчивости к отрывным течениям неочевидна. Это вызвано тем, что в переходном режиме поле скорости во всей области отрыва, в том числе на участке, где амплитуда волн неустойчивости мала, зависит от возмущенного течения ниже по потоку в зоне перехода и присоединения оторвавшегося слоя (задача 4). В итоге, нарушается исходное положение линейной теории устойчивости. В то же время, экспериментальные исследования, прямое численное моделирование и теоретические выводы показывают, что линейный анализ устойчивости оказывается действительно правомерным. Простое физическое объяснение этого не тривиального факта заключается в том, что влияние перехода к турбулентности на поле средней скорости в зоне отрыва сводится к изменению её интегральных характеристик - протяженности в направления потока и поперечного размера; локальные же параметры течения в слое сдвига у внешней границы области циркуляции, которыми определяется усиление волн неустойчивости, постоянны [215].

С ростом амплитуды вихревых колебаний вниз по потоку, развивающиеся вихревые волны уже нельзя рассматривать как суперпозицию линейно независимых возмущений, их характеристики определяются нелинейными эффектами - волновыми взаимодействиями (задача 3), вследствие которых и происходит стохастизация течения. Обзор экспериментальных и теоретических работ по этой тематике можно найти в [32, 34, 95, 155,157, 208, 222, 223, 247, 272, 273, 289].

Необходимо отметить то, что использование линейной теории устойчивости для описания начальной стадии ламинарно-турбулентного перехода в отрывных течениях возможно только при низкой степени турбулентности набегающего потока. При степени турбулентности большей, чем 1.5 % изменяется закон развития возмущений: вместо экспоненциального наблюдается линейное усиление колебаний [64], и применимость классической теории устойчивости в этих условиях сомнительна.

Основные результаты, полученные к настоящему времени, в основном посвящены устойчивости номинально двумерных областей отрыва в плоских течениях, которые сравнительно просты в отношении постановки задачи в теории и получения количественных данных в эксперименте. Трехмерные течения рассматриваются крайне редко. Так как в диссертационной работе изучаются вопросы возникновения и развития возмущений на их линейной стадии в трехмерных течениях, предваряя дальнейшее изложение материала, более подробно рассмотрим основные свойства двумерных отрывных зон и свойства вихревых возмущений, развивающихся в них.

Дестабилизирующее влияние области отрыва - одно из основных особенностей отрывных течений. Его связывают с проявлением так называемой невязкой неустойчивости. Эта неустойчивость появляется в течениях с профилем средней скорости с точкой перегиба, что является характерным для отрывных областей [13, 14, 20, 38, 121, 148, 161, 225, 290]. Профиль амплитуды пульсаций скорости в данном случае имеет три максимума по поперечной координате, один из которых находится у внешней границы оторвавшегося пограничного слоя, второй расположен в окрестности точки перегиба в профиле средней скорости и третий -ближе к поверхности в зоне циркуляции. Такая форма профиля амплитуды колебаний наблюдалась экспериментально в [214, 215] при исследованиях развития искусственно возбужденных волн, а так же в работах [31, 144] при исследовании развития «естественных» возмущений. В расчетах выполненных в приближении линейной теории устойчивости амплитудные функции двумерных колебаний малых амплитуд получены авторами [99, 117]. В работе [99] исследована устойчивость семейства профилей скорости специального вида, близких к тем, которые реализуются вблизи точки отрыва. В [117] рассчитана устойчивость течения в зоне отрыва за выступом плоской поверхности. Результаты этих работ качественно соответствуют экспериментальным данным. Прямое численное моделирование нестационарного течения в областях отрыва дает похожие результаты. Авторами работы [63] рассчитано развитие двумерной монохроматической волны в отрывной зоне, индуцированной локальным изменением градиента давления в потоке над гладкой поверхностью. Решения уравнений Навье-Стокса согласуются с данными линейной теории устойчивости и эксперимента. В аналогичной постановке численное моделирование проведено авторами [93]. Его результаты сопоставлены с данными расчетов по локальной теории устойчивости в приближении параллельности течения, выполненных в этой же работе - решениями уравнения Орра

Зоммерфельда для среднего течения, полученного при осреднении по времени численного решения нестационарных уравнений Навье-Стокса.

Фазовые профили двумерных волн неустойчивости, развивающихся в отрывных пузырях, имеют два "скачка" фазы (вместо одного у волн Толлмина-Шлихтинга безградиентного пограничного слоя), с фазовым сдвигом между колебаниями вблизи стенки и в оторвавшемся слое близким к %. Такая же особенность фазового распределения наблюдалась в экспериментах по устойчивости отрывного течения в угловой конфигурации [214]. Аналогичный результат получен в линейной теории устойчивости. Авторы [90, 91] сообщают о том, что рассчитанные ими фазовые профили колебаний схожи с теми, которые были обнаружены при экспериментальном моделировании неустойчивости отрывных течений [193].

Отличительная особенность развития возмущений в отрывных течениях - их относительно большая скорость усиления. Расчеты характеристик устойчивости градиентных пограничных слоев, проведенные в [249], указывают на возрастание неустойчивости течения по мере его приближения к состоянию отрыва. О том же свидетельствуют результаты работы [201], в которой выполнен анализ устойчивости течения за элементом неровности поверхности пластины, находящемся в потоке с линейным сдвигом средней скорости и расчетов [117] линейной устойчивости течения в локальных отрывных зонах за выступами обтекаемой поверхности. Численное моделирование развития возмущений в областях отрыва ламинарного пограничного слоя дает аналогичный результат [63, 131, 253]. Экспериментально увеличение скорости нарастания волн неустойчивости в отрывной области впервые было зафиксировано в [79], авторы данной работы исследовали причину стимуляции перехода к турбулентности двумерным элементом неровности, расположенным в пограничном слое плоской пластины.

Экспериментально же было установлено, что на начальном участке отрывной области возмущения нарастают экспоненциально, следовательно, для их описания можно ввести пространственный коэффициент роста а.|.

В экспериментах отмечается увеличение скорости роста вихревых возмущений с увеличением поперечного размера отрывной зоны. Качественно это согласуется с результатами расчетов по линейной теории устойчивости, согласно которым течение становится более неустойчивым при увеличении расстояния от точки перегиба в отрывном профиле скорости до стенки [100, 162]. Авторы [118] пришли к такому же заключению, исследовав устойчивость течения в зоне отрыва за выступом поверхности пластины, расположенной вдоль потока.

Результаты расчетов инкрементов роста двумерных возмущений, выполненные в линейном приближении локальной теории устойчивости, хорошо согласуются с инкрементами роста, определенными опытным путем. Так, в работе [99], в плоскопараллельном приближении, получено решение для аппроксимаций профилей скорости среднего течения, измеренных экспериментально [194]. Решение невязкой задачи дало удовлетворительное совпадение коэффициентов усиления с экспериментальными величинами, а учет вязкости в решениях -поправку, улучшающую согласование расчетных и экспериментальных данных. В работах [91, 92] приводятся результаты расчетов пространственного усиления возмущений в областях отрыва, возникающих в окрестности выступа и уступа поверхности плоской пластины. Решения получены для экспериментальных условий [194]; среднее течение в окрестности элементов неровности поверхности рассчитано по методу взаимодействующего пограничного слоя, анализ устойчивости выполнен в квазипараллельном приближении. Авторы работы отмечают в целом хорошее согласование результатов теории и эксперимента.

Прямое численное моделирование нестационарного течения в отрывной зоне выполненное в работах [13, 14, 52, 63, 131, 132, 133] так же дает хорошее совпадение инкрементов роста возмущений, как с экспериментальными данными, так и с результатами, полученными в приближении линейной теории устойчивости.

Следует отметить, что основной объем как экспериментальных, так и теоретических данных по коэффициентам усиления возмущений в отрывных течениях получен для двумерных волн. Двумерные возмущения, между тем, не обязательно обладают максимальным усилением в зоне линейной неустойчивости. Следуя данным асимптотической теории [153] и эксперимента [202] при отрыве пограничного слоя возможен преимущественный рост трехмерных колебаний.

Еще одна особенность локальных отрывных течений, обнаруженная в результате экспериментальных и теоретических исследований устойчивости, заключается в относительно слабых изменениях фазовой скорости распространения двумерных волн с частотой колебаний. Опытные данные [214, 215] коррелируют с результатами расчетов линейной устойчивости [99], согласно которым при переходе от свободного слоя смешения к слою сдвига с близко расположенной стенкой происходит уменьшение фазовых скоростей распространения двумерных волн неустойчивости в области низких частот колебаний. Хорошее совпадение результатов в теории устойчивости и решений уравнений Навье-Стокса, полученных при численном моделировании нестационарного течения в отрывном пузыре, отмечается в [13]. Указанные выше дисперсионные особенности течений в локальных областях отрыва потока представляются важными в связи с процессами, протекающими на нелинейной стадии развития возмущений. Слабая дисперсия скоростей распространения возмущений приводит к сохранению вдоль потока фазовых соотношений между колебаниями из широкого диапазона частотно-волнового спектра, что служит предпосылкой для их последующих резонансных взаимодействий.

Кроме развития возмущений в трехмерных течениях в диссертационной работе изучаются вопросы их возникновения в пространственных отрывных течениях - т.е. проблема восприимчивости этих течений к внешним воздействиям. Термин "восприимчивость" (receptivity) был введен Морковиным [109] в 1968 году для обозначения комплекса задач, касающихся преобразования внешних возмущений в собственные волны сдвиговых течений. Выделение проблемы восприимчивости в качестве самостоятельной задачи при исследовании процесса возникновения турбулентности в отрывных течениях предполагает, что доминирующим механизмом процесса турбулизации является конвективная неустойчивость течений [75]. Это предположение оправдано как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями устойчивости локальных отрывных зон.

Теоретические модели, описывающие генерацию волн неустойчивости длинноволновыми (акустическими) колебаниями потока построены в [59,60] для отрыва от гладкой поверхности, в [15, 135, 264] -для течения в окрестности её элементов неровности. Исследование генерации возмущений отрывного течения за двумерным выступом обтекаемой поверхности локализованным источником гармонических колебаний предпринято в [97]. В работах [98, 101] приводятся результаты расчетов восприимчивости, выполненных для сравнительно простых моделей среднего течения в пограничном слое с положительным градиентом давления и в областях отрыва. Исследовано возбуждение колебаний источниками возмущений, находящимися на стенке [98, 101] и в свободном потоке [102]. Численное интегрирование уравнений Навье-Стокса для решения задачи возбуждения колебаний использовано в [253]. Автором этой работы рассчитано двумерное течение за уступом поверхности в осциллирующем потоке, определено соотношение амплитуд волн неустойчивости и внешних колебаний. Общий вывод, к которому приводят результаты теоретических исследований, заключается в том, что по мере приближения пограничного слоя к состоянию отрыва и при его возникновении течение становится более восприимчивым к внешним колебаниям; эффективность генерации возрастает с увеличением стационарного возмущения, которое вносит зона отрыва в пристенное течение [97, 98, 102].

Экспериментально возбуждение волн неустойчивости звуком в плоских отрывных течениях исследовалось в [42, 61, 80, 236, 237]. В этих работах определена восприимчивость двумерных отрывных течений к внешнему воздействию, выявлены области, где происходит преобразование, исследованы свойства волн, возбужденных акустическим полем. Следует отметить, что звуковое воздействие существенным образом влияет на течения с отрывом. Так в [2, 29, 30, 111, 210, 239] оно приводило к устранению глобального отрыва от передней кромки профиля. Данные, коротко изложенные выше, дают ясное физическое представление о начальной стадии перехода к турбулентности в двумерных областях отрыва - этапе возникновения и усиления малых колебаний оторвавшегося слоя сдвига, характеристики которых определяются локальными свойствами среднего течения.

Более сложными объектами являются трехмерные области отрыва, в которых ламинарно-турбулентный переход может инициироваться различными механизмами неустойчивости, сосуществующими на стадии линейного развития возмущений. В пространственных отрывных потоках волны, возбужденные звуком, наблюдались авторами работ [87, 213, 228], но в них не проводилось измерений характеристик вихревых возмущений.

Наиболее простым примером трехмерного пограничного слоя и трехмерной области отрыва потока является течение, которое реализуется при обтекании двумерной модели (на пример - крыла), установленной под углом скольжения к набегающему потоку.

Необходимо отметить, что исследования структуры течения при обтекании крыльев, установленных под углом скольжения к набегающему потоку, тесно связано с развитием сверхзвуковой авиации. Дело в том, что в таких случаях проявляется "эффект скольжения", позволяющий при трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях потока снизить сопротивление самолета. Теория трехмерного пограничного слоя на скользящем крыле разработана академиком В.В. Струминским. Основные ее положения опубликованы в [270, 271, 274, 275]. В этих работах было показано, что при обтекании тела со скольжением потоком вязкой жидкости система дифференциальных уравнений, описывающая движение, распадается на две группы. Одна группа уравнений описывает поток в перпендикулярном образующей модели направлении, другая - в продольном. В несжимаемом потоке первая группа является независимой. Это означает, что эффективная скорость набегающего потока уменьшается в С08(%) раз ( где % - угол скольжения). Это уменьшение эффективной скорости набегающего потока - суть эффекта скольжения. Оно обеспечивает дозвуковой режим течения над всей площадью крыла самолета, движущегося со скоростью близкой к скорости звука, расширяя тем самым доступный для авиации диапазон скоростей.

Относительная простота течения над моделью, установленной под углом скольжения, обусловлена тем, что вдоль её размаха характеристики потока слабо изменяются. Пространственный вектор скорости, в данном случае, возможно представить состоящим из двух компонент: вектора скорости в направлении внешнего потока (основное течение) и ортогональную к ней (поперечную) компоненту скорости (вторичное течение).

В течении над скользящим крылом существуют две области, в которых вторичные токи значительны (рис. 4). Первая область связана с передней кромкой крыла, вторая - с областью отрыва потока. Структура течения в области отрыва на скользящем крыле качественно описана в [, 270, 271, 287, 288]. Схематично структура линий тока в данном случае показана на рис. 4. На линии отрыва <Ш/с1У=0, но с1\\^/с1У ?Ю. Ч

Рис. 4. Структура отрывного течения над скользящим крылом.

Экспериментально структура отрыва на скользящих крыльях и в течениях, моделирующих скользящее крыло, изучалась в [39, 158, 168, 173]. В этих работах представлены результаты пневмометрических измерений, визуализации течения методами масляных капель и дымом, проведена оценка концевых эффектов, получены эмпирические зависимости, описывавшие размеры отрывного пузыря. В этих работах отмечается сильная зависимость структуры всего течения от местоположения ламинарно-турбулентного перехода в зоне отрыва. Анализа механизма ламинарно- турбулентного перехода не проводилось.

Распространенный подход к исследованию устойчивости течений над моделями, установленными под углом скольжения, состоит в том, что анализу на линейную устойчивость подвергаются раздельно профили скорости основного и вторичного течения. Известно, что неустойчивость вторичного течения может являться причиной дестабилизации и раннего ламинарно-турбулентного перехода [40, 115, 123, 129, 137] в области отрицательного градиента давления. В области положительного градиента давления и отрыва потока вторичное течение также может вызывать усиление вихревых возмущений. Профиль скорости вторичного течения имеет как минимум две точки перегиба и поэтому, как предсказывает линейная теория гидродинамической устойчивости, должен быть неустойчивым. В то же время, для профиля скорости основного течения в этой области также характерно появление точки перегиба и оно также оказывается неустойчивым. Рост неустойчивости, как основного, так и вторичного течений перед точкой отрыва на скользящем крыле был получен в расчетах [256]. Расчеты характеристик возмущений в пространственных течениях, моделирующих обтекание скользящих крыльев выполнены в [37, 199, 224, 249, 250, 256] для предотрывной области. В упомянутых выше работах хотя и достигнуто неплохое согласование результатов между собой, но они не дают ответ на вопрос о том какие механизмы определяют ламинарно-турбулентный переход в этом случае.

Волны неустойчивости в трехмерных отрывных течениях наблюдались экспериментально в [39, 158, 159], где выполнена визуализация процесса ламинарно-турбулентного перехода при помощи дыма на толстой плоской пластине с тупой передней кромкой, установленной под углом скольжения. В этой работе основное внимание уделено не волнам неустойчивости, а образованию нелинейных структур в области присоединения потока. Термоанемометрические измерения свойств вихревых возмущений в трехмерных течения выполнены в [136, 213]. В работе [213] зафиксированы волны неустойчивости и их сильное влияние на структуру течения на цилиндрическом теле, которое обтекалось потоком под углом атаки. В работе [136] изучались волны неустойчивости, распространяющиеся в вихревой пелене, сходящей с треугольного крыла. Работы [136, 213] подтверждают конвективный характер неустойчивости, но не устанавливают ее взаимосвязи со свойствами течения и не объясняют механизма, определяющего развитие возмущений на линейной стадии ламинарно-турбулентного перехода.

Такое состояние вопроса определило объект, цель и способы исследований, изложенных в диссертационной работе.

Объект исследований - вихревые возмущения, в результате развития которых происходит ламинарно-турбулентный переход в трехмерных отрывных течениях, реализующихся при установившемся обтекании двумерных моделей, расположенных под углом скольжения.

Цель исследований — экспериментально показать механизм, определяющий развитие волн неустойчивости, приводящих к ламинарно- турбулентному переходу в течениях указанного типа.

Способ исследований - экспериментальное определение характеристик искусственно возбужденных вихревых волн.

В диссертационной работе автором выполнены систематические комплексные исследования возникновения и развития возмущений на линейной стадии ламинарно-турбулентного перехода в трехмерных отрывных течениях и выяснена их роль в формировании структуры среднего течения.

Первая глава диссертационной работы посвящена методическим вопросам. В ней описаны конструкции моделей, на которых выполнялись эксперименты, основные экспериментальные процедуры, приведены основные алгоритмы и последовательность обработки данных измерений.

Во второй главе представлены результаты исследований развития возмущений на скользящих крыльях. Исследован процесс ламинарно-турбулентного перехода в "естественных" условиях аэродинамической трубы, получены характеристики искусственно введенных возмущений. При этом изучались как плоские волны, так и пространственные волновые пакеты. Рассмотрен вопрос о влиянии малых возмущений на структуру течения. Значительное внимание уделяется изучению возникновения волн неустойчивости на скользящих крыльях при наложении акустического поля.

В третьей главе приведены результаты по развитию и возникновению возмущений в течении с отрывом потока от излома поверхности. В отличие от течения над скользящим крылом, в данном

27 случае вторичные токи достигают значительных величин. В таком течении в зоне отрыва исследовано поведение двумерных и наклонных плоских волн, а также пространственного волнового пакета. Изучены колебания, возникающие в области отрыва под действием звука.

Четвертая глава посвящена исследованию возмущений, распространяющихся в ламинарных отрывных пузырях за малыми неровностями поверхности. Рассмотрены двумерные и трехмерные случаи. Изучено развитие волновых пакетов от точечного источника, распространение волн, введенных вибрирующей лентой, а также генерация волн неустойчивости под действием звука. Большая роль неровностей поверхности в формировании структуры течения, их влияние на ламинарно-турбулентный переход, а также то, что для отрывных пузырей за малыми неровностями возможна постановка классической задачи об устойчивости по отношению к малым возмущениям (структура течения в этом случае не зависит от амплитуды введенных возмущений) подчеркивают актуальность данных исследований.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Симонов, Олег Анатольевич

4.4. Основные результаты четвертой главы

Коротко суммируя итоги исследований, описанных в четвертой главе, отметим следующее.

Изучена структура течения за малыми препятствиями, установленными на поверхности плоской пластины в двумерном и трехмерном случаях. Показано, что в случае наклонного по отношению к набегающему потоку расположения препятствия, течение в отрывных областях трехмерно. Размер отрывной области за наклонным препятствием меньше, чем ее размер в двумерном случае.

В одинаковых экспериментальных условиях, течение за наклонным препятствием, установленным на поверхности плоской пластины более устойчиво, чем течение за двумерным препятствием.

160

Инкременты нарастания вихревых волн меньше, частотный диапазон уже.

Показано, что уступ поверхности в большей степени дестабилизирует течение, чем выступ.

Определены наиболее неустойчивые гармоники пространственного-волнового спектра возмущений. В двумерном случае - это волны с углами распространения близкими к 30°. В трехмерном случае - это волны, распространяющиеся вдоль внешнего потока.

Определенно, что преобразование акустических колебаний в вихревые волны происходит на прямоугольном уступе поверхности более эффективно, чем на препятствии более плавной формы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены результаты систематического экспериментального исследования процессов развития и возникновения возмущений малых амплитуд в трехмерных течениях с отрывом ламинарного пограничного слоя. Данные получены в простых конфигурациях на двумерных моделях, которые устанавливались под углом скольжения к направлению набегающего потока. Таким течениям свойственно постоянство характеристик вдоль размаха модели и, в то же время, трехмерность поля скорости в вязком слое.

Возмущения малых амплитуд в течениях указанного типа изучены средствами моделирования явлений, протекающих при ламинарно-турбулентном переходе. Для этого применен комплекс методик возбуждения колебаний потока вибрирующей лентой, внешним акустическим полем и периодическим вдувом-отсосом газа через отверстие в поверхности экспериментальной модели. Использование указанных методов позволило изучить устойчивость течений по отношению к двумерным и трехмерным возмущениям, установить особенности генерации волн неустойчивости акустическими колебаниями. Результаты исследований проясняют пути возбуждения и механизм развития возмущений малых амплитуд при переходе к турбулентности в трехмерных отрывных течениях; полученная в работе экспериментальная информация может быть использована для разработки и тестирования соответствующих теоретических моделей, при проектировании летательных аппаратов и других транспортных средств, а также, в дальнейших исследованиях переходных явлений в трехмерных отрывных течениях более сложной структуры.

Суммируя полученные результаты, можно заключить:

1. Ламинарно-турбулентный переход на стадии усиления возмущений малых амплитуд в исследованных трехмерных областях отрыва пограничного слоя аналогичен переходу к турбулентности в двумерных отрывных течениях. Турбулизация происходит вследствие нарастания колебаний в слое сдвига на границе зоны циркуляции, устойчивость которого определяется компонентой скорости основного течения. Вторичное течение в глубине области отрыва не вносит особенностей в процесс ламинарно-турбулентного перехода.

2. В изученных конфигурациях групповая скорость волнового пакета малых возмущений направлена вдоль внешнего потока. Распространяющиеся в этом направлении колебания являются наиболее быстрорастущими составляющими волнового спектра. Трехмерные отрывные течения, также как и двумерные, обладают слабой дисперсией фазовой скорости возмущений по углу распространения.

3. В течении на скользящем крыле пространственная структура возмущений, возбужденных акустическими колебаниями потока, определяется расположением малых шероховатостей поверхности в области генерации. Порождение волн неустойчивости на хаотически расположенных элементах неровности приводит к тому, что нарастающие в процессе перехода возмущения имеют изначально широкий пространственно-волновой спектр в отличие от отрывного обтекания тел с выраженными геометрическими неоднородностями (пластины с острой передней кромкой, поверхности с линейным изломом и т.д.).

4. Коэффициенты преобразования внешних акустических колебаний в волны неустойчивости в течении за линейным элементом неровности поверхности зависят от его формы. Скругление элемента неоднородности приводит к уменьшению начальной амплитуды возбуждаемых возмущений завихренности. Течение вблизи уступа поверхности более восприимчиво к акустической генерации, чем в других исследованных в данной работе конфигурациях.

5. Возбуждение нарастающих колебаний в областях отрыва приводит к изменению пространственной структуры исходного течения; распределений продольной и поперечной компонент, а также, углов разворота вектора средней скорости. Генерация волн неустойчивости сопровождается перемещением линии ламинарно-турбулентного перехода вверх по потоку, уменьшением толщины рециркуляционной зоны и сокращением амплитуды пульсаций в низкочастотной области спектра. Влияние возмущений на среднее течение нелокально, т.е. не ограничивается областью их распространения.

Автор выражает благодарность научному руководителю В.В.Козлову за постановку задачи и полезные обсуждения, А.В.Довгалю и В.А.Щербакову за помощь в проведении экспериментов и интерпретации их результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Симонов, Олег Анатольевич, 2001 год

1. Adamson T.C.Jr., Messiter A.F. Analysis of two-dimensional interactions between shock waves and boundary layers. Ann. Rev. Fluid Mech.-1980.-V.12.-P. 103-138.

2. Ahuja K.K., Whipkey R.R., Jones G.S. Control of turbulent boundary layer flows by sound. AIAA 8-th Aeroacoustics conference, Atlanta, Georgia, 1983.-10 p.

3. Al-Maaitah A.A., Nayfeh A.H., Ragab S.A. Effect of cooling on the stability of compressible subsonic flows over smooth humps and backward-facing steps. Phys. Fluids A. 1990. - Vol.2. - pp. 381-389.

4. Al-Maaitah A.A., Nayfeh A.H., Ragab S.A. Effect of suction on the stability of separated flow behind backward facing steps and humps Proc. IUTAM Symp. on Separated flows and jets, 9-13 July, 1990, Novosibirsk.

5. Al-Maaitah A.A., Nayfeh A.H., Ragab S.A. Effect of suction on the stability of compressible subsonic flows over backward-facing steps. AIAA J. 1990. - Vol.28. - pp. 1916-1924.

6. Althaus D., Strunz M. Eine Methode zur Bestimming der Lage des Grenzschichtumschlags Z. Flugwiss.-1967.- N 15.- Heft 6.

7. Arena A.V., Mueller T.J. Laminar separation, transition, and turbulent reattachment near the leading edge of airfoils. AIAA J. 1980. - Vol. 18. -P. 747-753.

8. Azad R.S., Doell B. Behaviour of separation bubble with different roughness elements at the leading edge of a flat plate. In: Structure of Turbulence and Drag Reduction, 1990 (ed. A.Gyr) Springer-Verlag, pp.85-92.

9. Bakker P.G. On the topology of three-dimensional separated flow structures In proc. IUTAM Symp. On separated flow and jets, 9-13 July, 1990, Novosibirsk.

10. Balsa T.F. On the receptivity of free shear layers to two-dimensional external excitation. J. FluidMech.-1988.-V.l87.- P. 155-177.

11. Bechert D.W. Excitation of instability waves in free shear layers. Pt. 1. Theory. J. Fluid Mech.-1988.-V.186.-P. 47-62.

12. Bechert D.W., Stahl B. Excitation of instability waves in free shear layers. Pt. 2. Experiments. J. Fluid Mech.— 1988.-V.186.-P. 63-84.

13. Bestek H., Gruber K., Fasel H. Direct numerical simulation of unsteady separated boundary-layer flows over smooth backward-facing steps. In: Physics of Separated Flows Numerical, Experimental, and Theoretical14