Введение
Часть 1. Проблема возникновения турбулентности и методы её экспериментального изучения
Глава 1. Актуальные вопросы в исследовании ламйнарно турбулентного перехода в пограничных слоях 23
1.1. Краткий обзор исследований перехода к турбулентности 23
1.2. Круг задач настоящей работы 26
Глава 2. Экспериментальные методы изучения перехода к турбулентности в пограничном слое 29
2.1. Установки, использованные в настоящей работе 29
2.1.1. Малотурбулентная аэродинамическая труба Т-324 ИТПМ СО РАН 29
2.1.2. Малотурбулентная аэродинамическая труба Института аэродинамики и газодинамики Штуттгартского университета 31
2.1.3. Гидродинамический канал Пекинского университета аэронавтики и астронавтики 32
2.2. Термоанемометрия для исследования дозвуковых переходных течений 33
2.2.1. Учёт собственного дрейфа термоанемометра. Простой и эффективный метод разделения компонент вектора скорости при измерениях двухниточным датчиком 33
2.2.2. Коррекция показаний термоанемометра для учёта дрейфа параметров атмосферы и установки 36
2.2.3. Особенности осреднения по ансамблю на поздних стадиях перехода к турбулентности 46
2.2.4. Особенности измерения профилей скорости по нормали к стенке 49
2.3. Экспериментальные модели 51
2.3.1. Плоская пластина 51
2.3.2. Экспериментальная реализация автомодельного течения с постоянным отрицательным параметром Хартри 52
2.3.3. Модель скользящего крыла 54
2.4. Источник контролируемых возмущений пограничного слоя 56
2.5. Модифицированный метод водородных пузырьков 58
2.6. Метод детерминированной турбулентности 58
2.7. О размерных параметрах и точности измерений 58
2.8. Главные методические достижения работы 60
Часть П. Линейные и слабонелинейные стадии перехода к турбулентности в пограничных слоях
Глава 3. Линейные стадии процесса перехода к турбулентности в пограничном слое скользящего крыла 61
3.1. Предшествующие экспериментальные и теоретические исследования перехода к турбулентности в пограничном слое скользящего крыла. Несовпадения с расчётами 62
3.2. Постановка эксперимента и обработка результатов
3.2.1. Экспериментальная модель 65
3.2.2. Источники возмущений 65
3.2.3. Режимы измерений 67
3.2.4. Разложение волновых цугов на нормальные наклонные моды 69
3.2.5. Расчёты Крауча 73
3.3. Структура среднего течения ; 74
3.3.1. Потенциальное течение 74
3.3.2. Пограничный слой 78
3.4. Вводимые возмущения 82
3.4.1. Волновые цуги 82
3.4.2. Нормальные моды, вводимые линейным источником 90
3.5. Характеристики устойчивости нормальных мод 93
3.5.1. Собственные функции 93
3.5.2. Продольные волновые числа и углы распространения 93
3.5.3. Скорости нарастания 100
3.5.4. Фазовые скорости 103
3.6. Результаты главы 3 106
Глава 4. Резонансные взаимодействия волн неустойчивости в автомодельном пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления 107
4.1. Постановка задачи 107
4.2. Экспериментальная установка и характеристики основного течения 115
4.3. Начальные возмущения 120
4.3.1. Выбор резонансных поперечных волновых чисел 120
4.3.2. Режимы измерений 123
4.4. Случай точно настроенных резонансов 126
4.4.1. Осциллограммы и спектры пульсаций скорости 126
4.4.2. Собственные функции возмущений 128
4.4.3. Трёхмерность возмущений 131
4.4.4. Эволюция мод неустойчивости вниз по потоку 133
4.4.5. Фазовый синхронизм взаимодействующих мод 139
4.4.6. Влияние начальных амплитуд 141
4.4.7. Влияние начальных фазовых соотношений. Анти-резонанс 149
4.5. Субгармонические резонансы с частотной расстройкой 154
4.5.1. Симметризация частотного спектра 154
4.5.2. Эффективная субгармоника 156
4.5.3. Эволюция вниз по потоку мод с частотной расстройкой 157
4.5.4. Эволюция фаз и фазовый синхронизм мод с частотной расстройкой 159
4.5.5. Спектральная ширина резонанса в частотной области.
Преобладание резонансов с частотной расстройкой 161
4.6. Субгармонические резонансы с расстройкой по волновым числам 169
4.6.1. Субгармоники с расстройкой по волновым числам 169
4.6.2. Эволюция вниз по потоку мод с расстройкой по волновым числам 171
4.6.3. Эволюция фаз и фазовый синхронизм мод с расстройкой по волновым числам 174
4.6.4. Спектральная ширина резонанса в области волновых чисел 176
4.7. Субгармонические резонансы при широкополосных начальных возмущениях 179
4.7.1. Характеристики вводимых широкополосных возмущений 180
4.7.2. Эволюция частотных спектров широкополосных возмущений. Влияние двумерной первичной волны 181
4.7.3. Эволюция амплитуд и фаз мод сплошного спектра в отсутствии первичной волны 183
4.7.4. Собственные функции широкополосных возмущений в присутствии первичной волны 186
4.7.5. Пространственная структура широкополосных возмущений при их взаимодействии с первичной волной 189
4.7.6. Резонансное усиление широкополосных возмущений 193
4.7.7. Фазовые скорости возмущений сплошного спектра. Фазовый синхронизм в широкой полосе частот 198
4.8. Результаты главы 4 201
Глава 5. Резонансное взаимодействие стационарных и бегущих мод неустойчивости поперечного течения в трёхмерном пограничном слое 205
5.1. Постановка задачи 205
5.2. Постановка эксперимента
5.2.1. Модель разгонного участка скользящего крыла 207
5.2.2. Генерация возмущений и процедура измерений 208
5.3. Свойства возмущений 209
5.3.1. Поперечные распределения 209
5.3.2. Эволюция нормальных мод вниз по течению 211
5.3.3. Скорости нарастания и условия фазового синхронизма 214
5.4. Результаты главы 5 218
Глава 6. Резонансное усиление возмущений в неавтомоделышм пограничном слое на крыловом профиле 219
6.1. Экспериментальная установка 219
6.2. Характеристики среднего течения 222
6.3. Характеристики возмущений 223
6.4. Настройка резонансных триплетов 226
6.5. Резонансы на крыловом профиле: существование и некоторые свойства 228
6.6. Резонансы на крыловом профиле: возможности численного анализа 231
6.7. Результаты главы 6 236
Часть III. Поздние стадии перехода и формирование вихревых структур
Глава 7. Поздние стадии перехода к турбулентности в пограничном слое Блазиуса 237
7.1. Предшествующие экспериментальные и теоретические исследования поздних стадий перехода 237
7.2. Экспериментальная установка и характеристики основного течения 240
7.3. Параллельный численный эксперимент 242
7.4. Формирование Л-структур и шипов 244
7.4.1. Трёхмерный слой сильного сдвига и первый шип 244
7.4.2: «Многоликая» Л-структура 246
7.4.3. Поперечные (у, z) сечения возмущений 249
7.5. Дальнейшая эволюция структур пограничного слоя
и их роль в процессе стохастизации 252
7.5.1. Л-структуры на «3-шиповой» стадии перехода 252
7.5.2. Шипы и кольцеобразные вихри 254
7.5.3. Наведённые возмущения в пристенной области 255
7.6. Результаты главы 7 261
7.6.1. Заключительные замечания : 261
7.6.2. Выводы. Замечание о новизне результатов 263
Глава 8. Переход к турбулентности в пограничном слое Блазиуса при импульсном характере начальных возмущений 265
8.1. Замечания о периодичности начальных возмущений. Постановка задачи 265
8.2. Методика измерений 268
8.3. Поля скоростей на «одношиповой» стадии перехода 268
8.4. Поля скоростей на «3-х шиповой» стадии перехода 275
8.5. Начало стохастизации 281
8.6. Результаты главы 8 285
Глава 9. Формирование вихревых структур в автомодельном
пограничном слое с неблагоприятным
градиентом давления 286
9.1. Процедура измерений. Характеристики начальных возмущений 286
9.1.1. Модуляция по размаху и спектры возмущений скорости в начальном сечении 287
9.1.2. Начальные профили амплитуд и фаз частотных гармоник по нормали к поверхности 289
9.1.3. Мгновенные поля начального возмущения скоростив пространстве (—t,y, z) 291
9.2. Формирование шипов и Л-структур 291
9.2.1. Эволюция осциллограмм и частотных спектров. Появление шипов во времени и пространстве 291
9.2.2. Деформация волновых фронтов, появление Л-структур и слоя сильного сдвига 299
9.2.3. Форма Л-структуры в пространстве.
Сравнение с пограничным слоем Блазиуса 303
9.3. Дальнейшая эволюция вихревых структур.
Порождение кольцевых вихрей 308
9.3.1. Локализация и умножение шипов на осциллограммах 308
9.3.2. Генерация Л-структурами кольцевых вихрей 308
9.4. Результаты главы 9 316
Глава 10. Переход к турбулентности в автомодельном пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления при широкополосных начальных возмущениях 317
10.1. Постановка эксперимента 317
10.2. Возмущения в начальном сечении 320
10.3. Формирование вихревых структур 3
10.3.1. Эволюция осциллограмм. Зародыши шипов 327
10.3.2. Формирование Л-структур
и начало искажения среднего потока 328
10.4. Последующая эволюция вихревых структур. Формирование кольцевых вихрей 333
10.4.1. Локализация и умножение шипов на осциллограммах 333
10.4.2. Эволюция Л-структур.
Усиление искажений среднего потока 335
10.4.3. Порождение кольцевых вихрей 339
10.5. Результаты главы 10 341
Часть IV. Сверхпоздние стадии перехода и постпереходная турбулентност ь
Глава 11. Детерминированная пристенная турбулентность 343
11.1. Вводные замечания 343
11.2. Постановка эксперимента 346
11.3. Характеристики возмущений на начальных и поздних стадиях перехода 349
11.3.1. Начальные возмущения 349
11.3.2. Возмущения на стадии развитых Л-вихрей 357
11.4. Сверхпоздние стадии перехода 362
11.4.1. Профили средней и пульсационной скорости и спектры возмущений 362
11.4.2. Степень детерминированности возмущений и свойства когерентной части пульсаций скорости 370
11.4.3. Когерентные вихревые структуры в постпереходном турбулентном пограничном слое 382
11.5. Результаты главы 11 396
Глава 12. Связь когерентных вихревых структур с явлениями сметания и выброса 397
12.1. Базовые движения в турбулентном пограничном слое 397
12.2. Процедура измерений и среднее течение 398
12.3. Наблюдения 403
12.4. Результаты главы 12 410
Глава 13. Исследование одного механизма снижения сопротивления трения методом детерминированной турбулентности 411
13.1. Предположение о том, как работает разрушитель крупных вихрей, и способ его проверки 411
13.2. Характеристики течения в области ниже РКВ 414
13.3. Влияние РКВ на поле возмущений 418
13.4. Результаты главы 13 421
Заключение (основные выводы) 422
Апробация работы и список публикаций по теме диссертации 423
Коллеги и соавторы 433
Литература
