Введение к работе
Актуальность темы. Процессы развития возмущений в свободных сдвиговых течениях представляют значительный интерес как в теоретическом плане, так и с точки зрения практических приложений. Являясь частью общей проблемы возникновения турбулентности, эти вопросы привлекали внимание исследователей на протяжении многих десятков лет. Несмотря на достигнутые успехи, проблема в целом остается нерешенной и сегодня. Особенно много неясного в механизмах турбулизации высокоскоростных течений, когда важную роль играет сжимаемость сплошной среды. Практическая значимость изучения таких явлений обусловлена их связью со многими проблемами, возникающими при развитии современной техники. Управление развитием пограничного слоя до- и сверхзвуковых струй, шумообразова-ние в струях ракетных и авиационных двигателей, сверхзвуковое горение, создание мощных газодинамических лазеров - все эти задачи непосредственно связаны с возникновением неустойчивостей и переходом к турбулентности в свободных течениях сжимаемых газов и жидкостей. В последние годы, в связи с разработкой эффективных двигателей для проектируемых гиперзвуковых летательных аппаратов, особую актуальность приобрела проблема улучшения смешения потоков топлива и окислителя внутри камеры сгорания.
Цель работы: исследование начальных стадий перехода к турбулентности в свободном слое сдвига вязкого сжимаемого газа.
Научная новизна, теоретическая и практическая ценность. Слой сдвига, часто называемый также слоем смешения - течение, типичное для всего класса течений в отсутствии твердых границ. Многие происходящие в нем процессы играют важную роль и в других свободных течениях, таких как струи и следы. В данной работе характеристики возмущений малой амплитуды определяются при численном решении линейной задачи на собственные значения теории гидродинамической устойчивости. Впервые в широком диапазоне изменения параметров - чисел Маха 0 < И < 2, Рейнольдса 0 < Re 103 и отношения температур смешивающихся потоков 0,2 < я < 5 - рассчитаны кривые нейтральной устойчивости, коэффициенты роста, собственные функции возмущений. Исследованы особенности поведения дозвуковых и сверхзвуковых мод возмущений, а также колебаний, принадлежащих сплошному спектру. Рассмотрена возможность использования линейной теории для нахождения скорости расширения турбулентного слоя смешения - величины, важной в практических приложениях.
Эволюция возмущений, выросших до заметных амплитуд, изучается с. помощью прямого численного моделирования. Ввиду большой сложности данной задачи рассмотрение ограничено случаем двумерных дозвуковых возмущений. Разработан эффективный метод численного интегрирования нестационарных уравнений Навье-Стокса, основанный на смешанной спектрально-разностной пространственной аппроксимации. При М = 0,25иО,5; х = 1 и 2 проведены расчеты нелинейного насыщения возмущений, взаимодействия волн с кратными волновыми числами. Обнаружено, что развитие течения на ранних нелинейных стадиях связано, как и в несжимаемом слое сдвига, с последовательными субгармоническими резонансами. Являющееся следствием роста субгармоники попарное слияние вихрей служит основным механизмом увеличения толщины сдвигового слоя.
На защиту выносятся:
результаты расчетов устойчивости сжимаемого слоя сдвига к дозвуковым и сверхзвуковым возмущениям;
данные о влиянии на характеристики устойчивости вязкости и перепада температур между потоками;
результаты, касающиеся свойств непрерывного спектра задачи устойчивости;
метод численного решения нестационарных уравнений Навье-Стокса сжимаемого газа;
результаты прямого численного моделирования начальных нелинейных стадий перехода к турбулентности в сжимаемом слое сдвига.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах чл.-корр. РАН В.В.Сычева СЦАГИ им. Н.Е.Жуковского), чл.-корр. РАН Н. А,Желтухина СЖПМ СО РАН), д.ф. -м. н. , проф. А.Н.Секундова и д.ф.-м.н., проф. В.Р.Кузнецова СЦИАМ им. П. И. Баранова), д. т. н. , проф. В. Н. Жигулева СМФТЮ, д. ф. -м. н. , проф. Б. А. Луговцова и д.ф.-м. н., проф. Р.М.Гарипова СИГиЛ СО РАЮ, д. ф.-м. н., проф. 0.С.Рыжова и д.ф.-м.н, проф. Е.Д.Теренть-ева СВЦ РАЮ, д.т.н. , проф. А.М.Харитонова СИГПМ СО РАН). Отдельные результаты работы были представлены на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике СТашкент,1986), IV Международной конференции по пограничным и внутренним слоям СНовосибирск, 1986) , III Симпозиуме по ламинарно-турбулентному переходу Международного союза по теоретической и, прикладной механике (Тулуза, Франция, 1989), IV Всесоюзной школе по методам агрофизических исследований СНовосибирск,1987), II Всесоюзной конфере-
нции молодых ученых "Моделирование процессов гидрогаэодинамики и энергетики" С Новосибирск,1990), Межотраслевой конференции "Аэродинамика гиперзвуковых летательных аппаратов" С Калининград,1990) и др. По теме диссертации опубликованы работы С1-6].'
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, пяти глав, заклвчения, списка литературы С128 наименований) и приложения. Общий объем работы 169 с.