Введение к работе
Актуальность темы. Проблема изучения ламинарно-турбулентного перехода пограничного слоя является важной задачей аэрогидродинамики. Практическая важность задачи о переходе связана с необходимостью управления состоянием пограничного слоя с целью снижения сопротивления летательных аппаратов и правильного расчета их аэродинамических характеристик. В последние два десятилетия большое внимание как средству управления пограничным слоем отводится так называемым риблетам - продольному оребрению поверхности. Будучи достаточно простыми по конструкции и не требующими дополнительных затрат энергии при работе, эти устройства способны обеспечивать снижение сопротивления трения турбулентного пограничного слоя.
Несмотря на большой объем эмпирического материала по риблетам, до сих пор не существует однозначного понимания физических процессов, отвечающих за способность риблет к снижению трения. На данном этапе исследований становится очевидным, что дальнейший прогресс не возможен без понимания механизмов действия этих устройств. К тому же наблюдается практически полное отсутствие данных, которые характеризовали бы эффективность риблет в ламинарных и переходных течениях. Лишь в последние несколько лет появился ряд теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению ламинарно-турбулентного перехода на оребренных поверхностях, в которых показано, что при обтекании таких поверхностей скорость усиления возмущений в пограничном слое равна скорости нарастания возмущений над гладкой поверхностью. В этом случае начало перехода на гладкой и оребренной поверхностях совпадают. Вместе с тем эксперименты, проведенные в сходных условиях при повышенной степени турбулентности набегающего потока, показали, что риблеты затягивают ламинарно-турбулснтный переход. Кроме того, тот факт, что эксперименты на различных установках дают разные результаты по эффективности влияния риблет на поверхностное трение, свидетельствует о необходимости проведения экспериментов в
контролируемых условиях, что подразумевает моделирование явления в неких упрощенных, легко поддающихся воспроизведению ситуациях. К таким ситуациям можно отнести различные стадии ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое, формирующемся при наличии риблет.
Цель работы - используя методы моделирования, а именно, способы введения двумерных и трехмерных вихревых возмущений в ламинарный пограничный слой, исследовать влияние оребрения поверхности на процесс развития двумерных волн Толлмина-Шлихтинга (Т-Ш), т. е. изучить влияние риблет на начальную стадию развития ламинарно-турбулентного перехода. Исследовать воздействие оребрения поверхности на нелинейную стадию развития возмущений (лямбда-структуры в К-режимс перехода). Изучить влияние оребрения поверхности на характеристики течения в следе за одиночной шероховатостью, т.е. смоделировать влияние риблет на трехмерные возмущения воздействием на структуры в вихревой дорожке за неоднородностью. Рассмотреть влияние оребрения на лямбда-вихрь, моделируя последний локализованным возмущением, генерируемым методом вдува-отсоса. Исследовать воздействие риблет на стационарно возмущенный трехмерный пограничный слой и развивающиеся в нем высокочастотные бегущие возмущения.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Впервые рассмотрено влияние риблет на развитие двумерных волн Т-Ш, а именно, изучена зависимость коэффициентов нарастания волны от таких параметров оребрения, как ориентация риблет относительно вектора скорости набегающего потока потока и высот их поднятия над поверхностью.
-
Впервые изучено воздействие оребрения поверхности на лямбда-структуры в К-режиме ламинарно-турбулентного перехода.
3. Впервые исследован процесс эволюции локализованных
возмущений в пограничном слое, возникающих в следе за
неоднородностью над оребренной поверхностью и рассмотрено влияние
риблет на характеристики течения в следе за одиночной шероховатостью.
А. Впервые рассмотрено влияние риблет на переход, вызываемый неоднородностью, порождаемой методом вдува-отсоса и исследован процесс эволюции локализованных возмущений в пограничном слое, формирующемся над оребренной поверхностью.
5. Впервые изучен вопрос о возможности использования риблет ДЛЯ управления переходом п условиях сильной поперечной модуляции пограничного слоя, исследовано их влияние на нарастание квазистационарных продольных вихревых возмущений и воздействие на эволюцию высокочастотных бегущих волн.
Достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждается путем применения апробированных методик для генерации возмущений и изучения их развития в ламинарном пограничном слое (двумерные волны Т-Ш; локальные возмущения, генерируемые вдувом-отсосом; вихревая дорожка за одиночной неоднородностью), а также методов измерений их характеристик.
Научная и практическая ценность. Подход, разработанный в данной работе, в котором воздействие оребренля поверхности на ламииарно-турбулентный переход моделируется влиянием риблет на различные стадии (и тины возмущений, соответствующие им) перехода к турбулентности, впервые позволил получить данные о механизмах данного процесса и может быть использован в дальнейших исследованиях. Экспериментальные данные, полученные в работе, могут быть использованы для апробации развиваемых методов теоретических и численных расчетов по влиянию риблет на ламинарно-турбулентный переход и на снижение сопротивления трения.
Результаты исследований влияния оребрения поверхности на ламинарно-турбулентный переход позволяют дать рекомендации по применению риблет для снижения сопротивления трения.
На защиту выносятся:
- методика и устройства для исследования влияния риблет на развитие возмущений в пограничном слое;
результаты экспериментальных исследований процесса управления развитием волн Т-Ш с помощью оребрения поверхности модели;
данные экспериментальных исследований по управлению развитием ламинарно-турбулентного перехода в следе (вихревой дорожке) за одиночным элементом шероховатости при применении риблст;
результаты экспериментальных исследований процесса управления развитием Л-структур в К-режиме ламинарно-турбулентного перехода с помощью оребрения поверхности модели;
- данные экспериментальных исследований процесса управления
развитием локализованного в пространстве возмущения (трехмерного
волнового пакета), генерируемого методом вдувом-отсоса, на основе
использования риблет;
- результаты экспериментальных исследований процесса
управления развитием продольных стационарных вихрей (типа вихрей
Тейлора-Гертлера) и развивающихся на них высокочастотных бегущих
возмущений, на основе использования оребрения поверхности модели.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН и представлялись на Международном семинаре МГУ "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости" (г.Зеленоград, 1994 г.), на 8-ом Европейском совещании по снижению сопротивления трения (Lausanne, Switzerlaad, 1993), на 9-ом Европейском совещании по снижению сопротивления трения (Napoli, Italy, 1995), на 2-ом Сибирском семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1995 г.) и опубликованы в 11 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 109 наименований. Полный объем 160 страниц, в том числе 63 страницы рисунков. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ