Введение к работе
Актуальность проблемы. Турбулентные отрывные течения часто стречаготся в технике. В большинстве случаев отрыв потока - нежела-ельное явление. Повышенный уровень шума и вибраций конструкции, по-ери в трактах подвода энергоносителей и отвода- продуктов сгорания, худшение аэродинамических характеристик транспортных средств - вот алеко не полный набор неблагоприятных последствий отрыва. Поэтому бычно стремятся обеспечить безотрывное течение. В других случаях на-іеренно создают отрыв потока, например, в целях стабилизации процесса орения, интенсификации процессов смешения и теплообмена. На явлении егулярного срыва вихрей основана работа вихревых расходомеров.
Знание структуры турбулентного отрывного течения - важный фактор [рогнозирования работы различных технических устройств. Информация і структуре течения одинаково важна и при выработке технических реше-[ий, направленных на предотвращение нежелательных последствий отры-а потока, и при целенаправленном использовании этого явления в технике. В настоящее время в изучении отрывных течений достигнут значи-ельный прогресс: значительно расширились возможности численных методов моделирования параметров течения и теплообмена, накоплен обширный экспериментальный материал. Несмотря на значительные успехи, шогое остается неизученным. Практически нет данных о взаимосвязи мгновенных величин параметров течения и теплообмена. Не изучены трак-'ы конвекции турбулентных флуктуации. Другими словами, четкие представления о динамике мгновенных пространственных полей параметров течения и теплообмена еще не сформированы.
Возможности теоретических методов расчета параметров течения и теплообмена при турбулентном отрыве потока в настоящее время ограни-іеньї. Недостающую информацию о структуре турбулентных отрывных течений получают из эксперимента. Однако измерения турбулентности в зтрывных течениях - чрезвычайно сложная задача. Применение для этих .(елей термоанемометров затруднено из-за их нечувствительности к ревер-:ивному движению жидкости, характерному для отрывных течений. Опти-іеские методы не предназначены для измерения такой важной характери-;тики отрыва как вектор поверхностного трения.
Абсолютное большинство экспериментальных данных о структуре гурбулентности в отрывных течениях получено на основе одноточечных измерений параметров течения и теплообмена. По результатам одноточечных измерений, пусть даже выполненных с малым шагом по пространственным координатам, практически невозможно получить представление э динамике мгновенных пространственных полей течения. О динамике турбулентных структур в отрывных течениях имеется, в основном, информация качественного характера, базирующаяся на методах визуализации потока.
Все это делает проблему получения количественных данных о про-л-ранственно-временной картине пульсаций параметров течения и тепло-
обмена в отрывных течениях актуальной, а разработку методов получение такой информации- перспективным направлением в экспериментально! гидродинамике и теплофизике.
Цель работы - сформулировать и обосновать научные положения пі теории и технике измерения поверхностного трения в турбулентных от рывных течениях как двумерной векторной величины; разработать мето, моделирования пространственно-временных полей параметров турбулент ного течения и теплообмена по результатам двухточечных измерений; вы полнить экспериментальные исследования и провести анализ турбулентної пространственно-временной структуры дозвуковых двумерных и трехмер ных отрывных течений.
Научная новизна. Создан термоанемометрический метод (датчики і методика) измерения мгновенного вектора поверхностного трения, рабо тоспособный в круговом диапазоне направлений вектора. Разработан эко номный метод моделирования пространственно-временных полей пара .метров турбулентного течения и теплообмена по результатам двухточеч ных измерений. Измерены и систематизированы характеристики вектор; поверхностного трения в дозвуковых турбулентных отрывных течения)! причем, большинство характеристик получено впервые. Получены экспе риментальные данные о динамике мгновенных пространственных полеі параметров течения и теплообмена в отрывных течениях. На основе эти: данных выявлены некоторые закономерности переноса тепла крупномас штабными вихрями в следе за нагретым цилиндром, динамики формиро вания крупномасштабных вихрей за плохообтекаемыми телами перемен ного сечения, взаимодействия крупномасштабных вихрей со стенкой, кон векции турбулентных пульсаций пристеночного давления, поверхностное трения и теплового потока в стенку в отрывном течении.
Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные і пространственно-временной структуре параметров течения и теплообмен при турбулентном отрыве потока могут быть полезны для верификаци; теоретических моделей. Термоанемометрический метод измерения мгнс венного вектора поверхностного трения может найти применение в науч ных исследованиях и в инженерной практике. Метод моделирования про странственно-временных полей параметров турбулентного течения може быть использован не только в экспериментальной гидродинамике и тепле физике, но и при анализе пространственно-временной взаимосвязи пара метров в любых сложных системах, для которых характерны стационарны случайные процессы.
На защиту выносятся:
- научные положения по теории и технике измерения поверхностное
трения как двухкомпонентной векторной величины и метод, обеспечь
вающий измерения этой величины в круговом диапазоне мгновенных лс
кальных направлений вектора поверхностного трения;
- метод моделирования пространственно-временных полей парг
метров турбулентного течения и теплообмена по результатам двухточеч
ных измерений;
результаты исследования структуры пристенной турбулентности в рзумерных отрывных течениях: характеристики взаимосвязи двух композит и динамики вектора поверхностного трения, экспериментальные дан-іьіе о динамике мгновенных пространственных полей турбулентных пуль-:аций пристеночного давления, поверхностного трения и теплового потока і стенку;
результаты исследования динамики формирования крупномасштаб-шх вихрей за плохообтекаемыми телами переменного сечения, простран-;твешго-временной структуры теплового следа за поперечно обтекаемым фуговым цилиндром, динамики взаимодействия крупномасштабных турбулентных структур со стенкой.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII Всесоюзной научно-технической конференции по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (Ленинград, 1986), на научно-технических семинарах в ЕСГТУ им. А.Н.Туполева (Казань, 1995,1996,1997,1998), международном :еминаре по проблемам теплоэнергетики и аэродинамики (Казань, 1995); VI международном симпозиуме по моделированию течений и измерениям турбулентности (Таллахасси, 1996), научно-технических конференциях КазНЦ РАН (1996,1997,1998), научно-технической конференции КГТУ им.А.Н.Туполева (Казань, 1997), IV международной конференции по экспериментальной механике жидкости и термодинамике (Брюссель, 1997), республиканских конференциях по энергетике (Казань, 1997,1998), международной конференции по механике жидкости на конгрессе Японского общества инженеров-механиков (Токио, 1997), II и III Всероссийской конференции по методам и средствам измерений физических величин (Н.Новгород, 1997,1998), II международном сипозиуме по энергетике (Казань, 1998).
Публикации. Автор имеет 40 опубликованных работ. Основные результаты диссертации опубликованы в 35 работах, в том числе в монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации - 227 стр., в том числе 87 рисунков, расположенных по тексту, и список литературы, включающий 237 наименований.