Формирование и роль продольных структур в процессе ламинарно-турбулентного перехода в струях

• Автор: Литвиненко, Мария Викторовна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Ввёдение
Глава 1. История и состояния исследуемого вопроса
1.1 Ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое
1.2 Ламинарно-турбулентный переход в слоях смешения и струях
1.3. Контроль за процессами смешения в струях
Глава 2. Экспериментальное исследование продольных структур в круглой осесимметричной струе и их роли в процессе ламинарно-турбулентного перехода
2.1. Экспериментальная установка и методика измерений
•• 2.2. Влияние продольных структур на процесс турбулизации струи
2.2.1. Визуализация течения в осесимметричной круглой струе
2.2.2. Эксперимент без введения контролируемых возмущений
2.2.3. Эксперимент с введением контролируемых возмущений
2.3. Выводы
Глава 3. Экспериментальное исследование продольных структур в плоской струе
3.1. Экспериментальная установка и метод исследования
3.2. Визуализация течения в плоской струе
3.3. Выводы
/ф Часть 4. Экспериментальное исследование продольных структур в плоской пристенной струе и их роли в процессе ламинарно-турбулентного перехода
4.1. Экспериментальная установка
4.2. Измерительная техника
4.3. Ближнее поле плоской пристенной струи в естественных условиях
4.4. Изучение искусственно генерируемых продольных структур при помощи термо-анемометрических измерений
4.5. Акустическое воздействие на продольные структуры
4.6. Исследование плоской пристенной струи при помощи метода РГУ
4.7. Выводы

Глава 5. Плоская пристенная струя: сравнение результатов расчета и эксперимента
5.1. Экспериментальная установка
5.2. Введение искусственных возмущений
5.3. Обезразмеривание параметров потока
5.4. Результаты
5.4.1. Сравнение расчетного и экспериментального основного течения
5.4.2. Линейная устойчивость
5.4.3. Структуры потока
5.5. Выводы
Заключение
Литература
Список публикаций
Приложение
Актуальность темы Физика смешения в струях представляет значительный интерес как с фундаментальной, так и с практической точек зрения. Интенсивность и однородность перемешивания имеют большое влияние на эффективность сгорания, коэффициент теплопередачи, формирование отработанных веществ и шум струи. Так же струи могут использоваться, например, для охлаждения лопаток газовых турбин и различных электронных устройств, а также для управления пограничным слоем на крыле.
В ламинарных струях профили средней скорости перегибные, что приводит к формированию вихрей Кельвина — Гельмгольца, которые являются основной неустойчивостью слоев сдвига, причем начальная стадия развития вихрей обычно хорошо описы-• вается линейной теорией устойчивости. Нелинейная стадия характеризуется насыщением амплитуды и спариванием вихрей из-за резонанса возмущений с суб- и супергармониками. Дальнейшее развитие нелинейных структур часто сопровождается появлением продольных (вытянутых по потоку) вихревых структур. Их формирование обычно связывают с так называемой вторичной трехмерной неустойчивостью вихрей Кельвина -Гельмгольца. Эксперименты показывают, что динамика этих структур играет важную роль в процессе смешения в дальнем следе струи.
Другие продольные возмущения, которые часто могут развиваться в слое сдвига струи, возникают за неровностями поверхности сопел. Они представляют собой области квазистационарных трехмерных деформаций преимущественно продольной скорости в сдвиговом потоке, имеющих характерный вид "полосок" на картинах визуализации. ^ Причина их появления не связана с вторичной неустойчивостью вихрей Кельвина -Гельмгольца. Эти структуры возникают в результате эффектов установления при развитии компактных трехмерных возмущений нормальной компоненты скорости даже малой амплитуды. Такие продольные структуры подвержены интенсивному взаимодействию с другими возмущениями потока, например с волнами неустойчивости, что, как правило, ускоряет турбулизацию течения. Эта особенность делает полосчатые структуры перспективным агентом для улучшения смешения и управления потоком в струях.
Продольные структуры в пристенных потоках - предмет исследования множества работ. В то же время, исследования процесса возникновения и развития продольных структур в струйных течениях начаты лишь недавно и проводились только при естест-венных условиях, без возможности их контроля.

29. Tani I. and Aihara Y. Goertler vortices and boundary layer transition. ZAMP, (20):609, 1969.
30. Kohama Y. Some expectation on the mechanism of cross-flow instability in a swept wing flow. Acta Mech., 66(21), 1987.
31. Malik M.R., Li F., Choudhari M.M., and Chang C.-L. Secondary instability of crossflow vortices and swept-wing boundary-layer transition. J, Fluid Mech., 399:85(115, 1999.
32. Hogberg M. and Hermingson D. Secondary instability of crossflow vortices in falkner-skan-cooke boundary layers. J. Fluid Mech., 368:339-357,1998.
33. Janke E. and Balakumar P. On the secondary instability of threedimensional boundary layers. Theor. and Comp. Fluid Dyn., 14:167-194, 2000.
34. Boiko A. V., Kozlov V. V., Sova V. A., and Scherbakov V. A. Generation of streamwise structures in a boundary layer of a swept wing and their secondary instability. Thermophysics and Aeromechanics, 7(l):25-35,2000.
35. Kozlov V.V., Sova V.A., and Shcherbakov V.A. Experimental investigation of the development of secondary perturbations on a swept wing. Fluid Dynamics, 36(6):909-914, 2001.
36. Boiko A. V., Kozlov V. V., Syzrantsev V. V., and Scherbakov V. A. Experimental investigation of high frequency secondary disturbances in swept wing boundary layer. Appl. Mech. and Techn. Phys., 36(3):74-83, 1995. In Russian.
37. Boiko A. V., Kozlov V. V., Syzrantsev V. V., and Scherbakov V. A. A study of the influence of internal structure of a streamwise vortex on the development of traveling disturbances inside it. Thermophysics and Aeromechanics, 4(4):343-354, 1997.
38. Wassermann P. and Kloker M. Mechanisms and passive control of crossflow-vortex-induced transition in a three-dimensional boundary layer. J. Fluid Mech., 456:49-84,2002.
39. White E.B. and Saric W.S. Secondaiy instability of crossflow vortices. J. Fluid Mech. (submitted), 2003.
40. Masad J. A. and Nayfeh A. H. Effect of suction on the instability of compressible boundary layers. Phys. Fluids A, 3:2179-2190, 1991.
41. Mughal M.S. Active control of instabilities in three-dimensional compressible flows.
Theor. and Comp. Fluid Dyn., 12:195-217, 1998.
42. Walther S., Airiau C. and Bottaro A. Optimal control of tollmien-schlichting waves in a developing boundary layer. Phys. Fluids, 13:2087-2096,2001.
43. Boiko A. V., Kozlov V. V., Syzrantsev V. V., and Scherbakov V. A. Active control over secondary instability in a three-dimensional boundary layer. Thermophysics and Aeromechanics, 6(2):167-178, 1998.