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 числамб) механизмы формирования и развития вихревых структур на поздних, существенно нелинейных, стадиях перехода при различных начальных спектрах возмущенийв) 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 двухи трёхмерных волн неустойчивости субгармонического типа в резонансных триплетах с расстройкой по волновым числамб) 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 Блазиусав) 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) случаемг) 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.
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.
