Введение к работе
Актуальность темы
Проблема возникновения турбулентности ввиду своего большого фундаментального и практического значения привлекает внимание исследователей в течении уже целого столетия. Однако вплоть до настоящего временп многие аспекты этой проблемы остаются весьма слабо изученными из-за своей чрезвычайной сложности.
Для случая погранслойных течений процесс перехода к турбулептности подразделяется обычно па три основные стадии, соответствующие трем основным аспектам проблемы перехода: а) стадию возбуждения мод неустойчивости внешними возмещениями (проблема восприимчивости течения к внешним возмущениям), Ь) стадию развития возмущений по законам линейной устойчивости и с) стадию нелинейного взаимодействия возмущений и окончательного разруїпения ламинарного режима. Первые два аспекта, исследуемые в настоящей работе, имеют наибольшее практическое значение, поскольку используются для разработки инженерных методов предсказания положения перехода при создании новых образцов авиационной и ракетной техники. Так, например, широкое распространение получил так назьшаемый е^-метод, целиком основанный на линейной теории устойчивости. Находятся в стадии разработки ряд более совершенных амплитудных методов, учитывающих спектр внешних возмущений и использующих, помимо лилейной теории устойчивости, теорию восприимчивости пограничного слоя к внешним возмущениям, создаваемую в настоящее время. В связи с этим значение количественных экспериментальных данных о восприимчивости пограничного слоя (которые почти отсутствовали до недавнего времени) трудно переоценить.
Линейная теория двумерной устойчивости простых погранслойных течений в настоящее время практически завершена, хотя последние точки над "і" были поставлены в этом вопросе лишь в последние годы. Что же касается устойчивости по отношению к трехмерным возмущениям, то экспериментальные данные в этой области довольно ограничены, а теория нуждается в уточнениях (эффекты непараллельности течения, критерии устойчивости и т.д.) и количественном сопоставлении с целью се апробации. Много неясностей остается до последнего времени и в задаче о трехмерной устойчивости классического пограничного слоя Блазиуса. Обычно считается, что в несжимаемых потоках это течение наиболее неустойчиво к двумерным возмущениям, в связи с чем развитие трехмерных волн неустойчивости
изучено довольно слабо. В то же время, как показано в данной работе, при некоторых значениях параметров усиление трехмерных мод может доминировать, а восприимчивость пограничного слоя Блазиуса к трехмерным возмущениям может быть существенно сильнее, чем к двумерным. Кроме того, как показано в ряде исследований, начиная с классических экспериментов Клебанова и др., трехмерные возмущения всегда начинают доминировать на нелинейных стадиях перехода. Для оценки роли трехмерных волн в нелинейных взаимодействиях и их амплитуд в начале стадии нелинейного развития, необходимо знать их характеристики на линейной стадии. Эти и другие обстоятельства обуславливают актуальность темы настоящей диссертации.
Цель работы
Настоящая диссертационная работа была предпринята с целью восполнить существующий пробел в экспериментальных исследованиях трехмерной устойчивости и восприимчивости пограничного слоя Блазиуса и получить подробные количественные характеристики трехмерной устойчивости, включая эффекты исиараллельности течения и сопоставление различных критериев неустойчивости, а также впервые получить надежные количественные характеристики восприимчивости пограничного слоя к трехмерным локализованным вибрациям, с тем, чтобы использовать полученные экспериментальные данные для апробации различных методов расчета трехмерной устойчивости и восприимчивости.
Работа состояла из трех основных этапов:
-
Углубленное экспериментальное изучение в контролируемых условиях всех основных характеристик трехмерной устойчивости пограничного слоя Блазиуса. Сравнение полученных результатов с предыдущими экспериментальными данными и с результатами расчетов в рамках различных теоретических подходов.
-
Исследование влияния непараллельное течения на характеристики трехмерной устойчивости пограничного слоя Блазиуса. Сопоставление различных критериев неустойчивости.
-
Изучение в контролируемых условиях линейной восприимчивости пограничного слоя Блазиуса к трехмерным локализованным вибрациям поверхности, количественное экспериментальное определение комплексных коэффициентов восприимчивости течения в зависимости от поперечного волнового числа и частоты вибраций.
Научная новизна
1. Впервые экспериментально получен полный набор характеристик устойчивости пограничного слоя Блазиуса но отношению к трехмерным
нормальным модам Толлмина-Шлихтинга, включая собственные функции нормальных мод для различных частот возмущений, углов наклона к потоку и чисел Рейнольдса и проведено подробное сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами расчетов в рамках различных теоретических подходов.
-
Впервые экспериментально изучена эволюция собственных функций нормальных мод неустойчивости вниз по потоку, исследованы и сопоставлены различные критерии трехмерной неустойчивости, изучено влияние нарастания пограничного слоя на характеристики трехмерной устойчивости.
-
Впервые проведено количественное экспериментальное исследование восприимчивости пограничного слоя Блазиуса к локализованным трехмерным вибрациям поверхности и получены величины комплексных коэффициентов вибрационной восприимчивости течения в зависимости от поперечного волнового числа и частоты возмущения.
Достоверность результатов основывается на использовании богатого опыта предыдущих исследований, выполненных в ИТПМ СО РАН, применении отлаженных и апробированных методик термоанемомстрических измерений и подтверждается многократной повторяемостью результатов, а также их подробным сопоставлением с результатами предыдущих экспериментальных работ (в том числе других авторов) и с результатами расчетов, выполненных для условий данных экспериментов в рамках различных теоретических подходов (локально-параллельная теория устойчивости, непараллельная теория с использованием параболизованных уравнений устойчивости, прямое численное моделирование течения). Научная и практическая ценность.
В результате проделанной работы получена подробная экспериментальная информация о характеристиках устойчивости пограничного слоя Блазиуса по отношению к трехмерным нормальным модам Толлмина-Шлихтинга и о его восприимчивости к трехмерным локализованным вибрациям поверхности, позволяющая глубже понять физику возникновения и развития мод неустойчивости. В частности, обнаружена важная роль непараллельности течения и правильности выбора критериев устойчивости для случая трехмерных волн Толлмина-Шлихтинга, и заложена основа для количественного изучения трехмерной восприимчивости пограничного слоя Блазиуса.
Полученные результаты имеют не только фундаментальное, но и прикладное значение, могут быть использованы (и уже используются) различными авторами для верификации своих теоретических подходов и для создания более совершенных инженерных методов расчета положения
перехода, основанных на теории устойчивости и восприимчивости течения. Кроме того, результаты исследования классического течения Блазиуса создают основу для последующего изучения более сложных пограничных слоев, в том числе с продольными градиентами давления, а также для более углубленного исследования нелинейных стадий перехода с участием трехмерных мод неустойчивости.
На защиту выносятся: метол возбуждения в пограничном слое Блазиуса трехмерных волн Толлмина-Шлихтиига с помощью локализованных вибраторов; методика количественного исследования влияния ненараллельности течения на развитие нормальных мод неустойчивости и изучение различных критериев неустойчивости; методика экспериментального получения количественных значений комплексных коэффициентов вибрационной восприимчивости течения, не зависящих от формы вибратора; результаты экспериментального исследования характеристик трехмерной устойчивости пограничного слоя Блазиуса и их сопоставления с расчетами; результаты экспериментального исследования влияния непараллельности основного течения на характеристики трехмерной устойчивости и сопоставления различных критериев трехмерной устойчивости непараллельного потока; результаты экспериментального исследования восприимчивости пограничного слоя Блазиуса к трехмерным локализованным вибрациям поверхности.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН и представлялись на следующих конференциях: 7, 8-я Международные конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR) (г. Новосибирск, 1994, 1996 гг.), Международный коллоквиум "Переходные пограничные слои в аэронавтике" (г. Амстердам, 1995 г.), 27-я Международная конференция но динамике жидкости (AIAA) (г. Новый Орлеан, 1996 г.), 3-й, 4-й Сибирский семинар "Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (г. Новосибирск, 1996, 1997 гг.), Международный коллоквиум Евромсх-359 (г. Штуттгарт, 1997 г.), XIV Международная школа "Модели механики сплошной среды" (г. Жуковский, 1997 г.), 3-я Европейская конференция но механике жидкости (г. Геттинген, 1997 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 рабагах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 120 наименований и изложена на 125 стр., включая 47 рисунков.