Введение к работе
Диссертация посвящена експериментальному исследованию нелинейных стадий перехода к турбулентности в пограничном слое.
Актуальность темы. Проблема перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентное состояние на протяжении ряда десятилетий остаётся актуальной задачей аэрогидродинамики. Она является составной частью более общей фундаментальной проблемы турбулентности. Практическая важность задачи о переходе связана с необходимостью управления пограничным слоем с целью снижения сопротивления летательных аппаратов и расчёта их аэродинамических характеристик.
Наименее изучены в настоящее время нелинейные стадии перехода, имеется ряд теоретических концепций, описывающих нелинейные стадии, но недостаточно експериментального материала для оценки правомерности теоретических работ и установления границ их применимости.
Цель работы - экспериментальное исследование физических механизмов нелинейных стадий ламинарно-турбулентного перехода;
-
выяснение роли локальной высокочастотной вторичной (ЛВВ) неустойчивости в К-рекиме перехода;
-
экспериментальная проверка резонансно- волновой (РВ) концепции, постулирующей существование в переходе каскада гармонических и параметрических резонансов;
-
изучение процессов формирования и развития когерентных структур, возникающих из волн неустойчивости (в том числе структур солитонного типа).
Научная новизна. 1. Разработан новый метод експериментального моделирования процесса формирования в пограничном слое локализованных по пространству одиночных когерентных структур.
-
Разработаны, изготовлены и испытаны компактные многоканальные термоанемометры и линеаризаторы, обладающие рядом достоинств по сравнению с существующими аналогами.
-
Впервые проведена прямая експериментальная проверка роли ЛВВ неустойчивости в переходе в пограничном слое. Обнаружены не выделявшиеся ранее пакеты волн, усиливаемые этой неустойчивостью. Показано, что в Z-рекиме ЛВВ неустойчивость не
является, как было принято считать ранее, причиной порождения наиболее интенсивных волновых пакетов возмущений - "шипов".
-
Впервые получены прямые свидетельства реализации каскада гармонических и параметрических резонансов между плоскими и наклонными гармониками, составляющими трехмерные пакеты волн неустойчивости.
-
Впервые показано, что наиболее интенсивные волновые пакеты возмущений в Я-реясиме перехода обладают свойствами солитонов и на ранних стадиях описываются солитонными решениями уравнения Бенджамина-Оно в рамках асимптотической теории.
-
Обнаружено, что когерентные структуры солитонного типа фокусируются в чрезвычайно устойчивые вихри, распространяющиеся во внешней частя пограничного слоя вплоть до области развитой турбулентности.
Научная и практическая ценность. Экспериментальные данные, полученные в работе, позволили прояснить физические механизмы перехода к турбулентности и широко используются для апробации развиваемых теоретических методов расчётов переходных пограничных слоев (в частности, слабонелинейных теорий, асимптотических теорий и прямого численного моделирования), что необходимо для практических расчётов аэродинамических характеристик обтекаемых тел и управления этими характеристиками. Применявшиеся экспериментальные методы и программы обработки данных могут использоваться для исследования широкого класса задач динамики вязкой жидкости. Разработанная термоане-мометрическая аппаратура даёт возможность проведения многоточечных измерений в переходном пограничном слое, она изготовлена и используется в ИТПМ СО РАН.
Достоверность результатов. При выполнении работы были воспроизведены все известные особенности изучавшегося течения. Применялись апробированные метода получения и обработки экспериментальных данных. Полученные результаты согласуются с данными экспериментальных и теоретических работ других авторов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в [1-11] и докладывались на: - XIII, XIV конференциях молодых учёных ИТПМ СО АН СССР (Новосибирск, 1987, 1988);
V Всесоюзной школе молодых учёных и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1988);
Всесоюзной школе "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости" (Колюбакино, 1988);
Всесоюзном семинаре по гидродинамической устойчивости и турбулентности (Новосибирск, 1989);
Всесоюзной школе-семинаре "Модели механики сплошной среды" (Якутск, 1987);
Международном семинаре "Проблемы моделирования в аэродинамических трубах" (Новосибирск, 1988);
Втором международном 1ОТАМ-симпозиуме"Ламинарно-турбулентный переход" (Тулуза, Франция, 1989);
Международном научно-методологическом семинаре по гидродинамике судна (Варна, Болгария, 1990);
Международном коллоквиуме "Течения с вихрями Гёртлера" (Нант, Франция, 1990);
Втором семинаре "Гидродинамическая устойчивость и турбулентность (Алма-Ата, 1992);
Международном ЮТАМ- симпозиуме "Идентификация вихревых структур в свободных турбулентных сдвиговых течениях" (Пуатье, Франция, 1992);
Международном ЮТАМ-симпозиуме "Нелиненая неустойчивость непараллельных течений" (Потсдам, США, 1993).
Структура и объйм работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 138 наименований и двух приложений. Полный объём - 187 страниц, 61 рисунок, 2 таблицы.