Физические механизмы перехода к турбулентности на полосчатых структурах

• Автор: Бойко, Андрей Владиславович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 307 с. : ил.

% ОГЛАВЛЕНИЕ

Список обозначений

ГЛАВА 1. Состояние исследуемого вопроса

V 1.1. Переход к турбулентности в двумерных пограничных слоях

1.1.1. Линейная теории устойчивости

1.1.2. Эксперименты по устойчивости двумерных пограничных слоев

1.1.3. Проблема восприимчивости

1.1.4. Нелинейная область развития возмущений

1.1.5. Переход к турбулентности при повышенной степени турбулентности внешнего потока

1.1.6. Трехмерные эффекты установления и полосчатые структуры

1.1.7. Моделирование возмущений
1.1.8. Особенности перехода к турбулентности в отрывных течениях
1.2. Устойчивость трехмерных потоков
1.2.1. Неустойчивость поперечного течения на скользящем крыле
1.2.2. Вторичная неустойчивость
1.3. Управление развитием возмущений при ламинарно-турбулентном
переходе
1.3.1. Риблеты
1.3.2. Отсасывание пограничного слоя
1.3.3. Самогашение возмущений

ГЛАВА 2. Методика проведения исследований
2.1. Описание используемых аэродинамических установок
2.2. Использованные модели
2.2.1. Плоская пластина для Т
2.2.2. Плоская пластина для МТ
2.2.3. Плоская пластина для TUG
2.2.4. Плоские пластины для MTL
2.2.5. Крыловой профиль для Т
* 2.2.6. Крыловой профиль для 1МК
2.2.7. Создание локальных отрывов пограничного слоя
2.3. Методы создания искусственных возмущений
2.3.1. Контролируемая повышенная степень турбулентности набегающего потока
2.3.2. Генерация двумерных периодических возмущений
^ 2.3.3. Генерация стационарных полосчатых структур со стенки
2.3.4. Генерация полосчатых структур из внешнего потока
2.3.5. Генерация трехмерных периодических во времени возмущений в
пограничном слое
2.3.6. Риблеты
2.4. Измерительная техника
2.4.1. Аналоговая аппаратура
2.4.2. Автоматизированная система сбора данных
^ 2.4.3. Синхронное детектирование
2.4.4. Спектральный анализ
2.4.5. Измерения однониточными датчиками термоанемометра
2.4.6. Особенности однониточных измерений в отрывных областях.
2.4.7. Методика двухниточных измерений
2.4.8. Определение расстояния до стенки
2.4.9. Другие методы

ф 2.5. Использованные методы расчета
2.5.1. Псевдоспектральная аппроксимация (метод коллокаций)
2.5.2. Решение линеаризованных уравнений Навье Стокса и параболизованных уравнений устойчивости
2.5.3. Расчет профилей скорости пограничных слоев
ГЛАВА 3. Развитие полосчатых структур и волн Толлмина Шлихтинга в пограничном слое плоской пластины
• 3.1. Возбуждение полосчатых структур турбулентностью внешнего потока
3.1.1. Характеристики турбулентности во внешнем потоке
3.1.2. Параметры пограничного слоя
3.1.3. Характеристики возмущений пограничного слоя
3.2. Сравнение развития волн Толлмина Шлихтинга с теоретическими
результатами
3.2.1. Параметры пограничного слоя
3.2.2. Форма колебаний
3.2.3. Устойчивость волн Толлмина-Шлихтинга
3.3. Взаимодействие полосчатых структур, возбужденных извне пограничного слоя, с волнами Толлмина Шлихтинга
3.3.1. Характеристики волн Толлмина Шлихтинга в присутствии
внешней турбулентности
3.3.2. Влияние волн Толлмина Шлихтинга на переход к турбулентности

3.4. Возбуждение стационарных полосчатых структур извне пограничного слоя
3.4.1. Характеристики внешнего возмущения
3.4.2. Характеристики возбужденного возмущения в пограничном слое
3.5. Возбуждение нестационарных полосчатых структур извне пограничного слоя
1.2.2. Вторичная неустойчивость. Процесс дальнейшего перехода к турбулентности во многом зависит от характеристик конкретного профиля крыла, различных нелинейных взаимодействий между самими стационарными вихрями и между ними и волнами неустойчивости, ускоряющими переход к турбулентности [205, 221-223]. Зачастую турбулизация потока непосредственно связана со вторичной неустойчивостью этих вихрей, которую можно представить как смену устойчивости основного потока. Вторичная неустойчивость выявлена в целом ряде работ для различных вихревых структур (см. обзор [205]). В стационарных вихрях она обычно является невязкой по своему характеру, растет по конвективным временным масштабам и может привести, в ряде случаев, к переходу в докритической (в смысле волн Толлмина Шлихтинга) области течения [206-208, 224, 225]. Физическая суть механизма этой неустойчивости состоит в том, что поперечное модулирование продольной компоненты скорости течения приводит к перегибным мгновенным профилям средней скорости, которые могут быть неустойчивыми к высокочастотным колебаниям потока, пространственная эволюция которых и ответственна за дальнейший переход к турбулентности [207].
Характерными чертами полосчатых структур также являются сильная локализация в трансверсальном и большая протяженность в продольном направлениях, причем амплитуда продольной компоненты скорости может достигать более 10% от скорости внешнего течения. По достижении большой амплитуды они создают выраженную поперечную периодичность в распределении продольной компоненты скорости. Однако механизм вторичной неустойчивости в полосчатых структурах в отличие от вихрей поперечного течения до сих пор не изучен. Его природа, механизмы зарождения и развитие в полосчатых структурах скользящего крыла рассматривается в п. 4.3.