Введение
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 описывается 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 естественных условиях, без возможности их контроля.
Исследование указанной проблемы представляет интерес ввиду широкого применения струйных течений в практических приложениях.
Цель работы заключалась в экспериментальном изучении механизмов генерации и развития продольных структур в дозвуковых круглой, плоской и плоской пристенной струях при помощи методов визуализации, термоанемометрии и метода PIV, а так же их роли в процессе ламинарно-турбулентного перехода в контролируемых условиях. Изучались: влияние различных размеров шероховатостей на возникновение продольных структур; влияние числа Рейнольдса и акустического поля на развитие продольных вихревых структур и их характеристические размеры. Так же проводи- лось сравнение результатов экспериментов по плоской пристенной струе с результатами вычислений по линейной теории и прямого численного моделирования (О. Левин, Д. Хеннингсон).
Научная новизна
- впервые из результатов дымовой визуализации были получены качественные данные о местоположении продольных структур и их поперечные размеры.
- обнаружено влияние числа Рейнольдса на формирование и развитие продольных структур. Было найдено, что увеличение скорости течения ведет к ускорению процесса ламинарно-турбулентного перехода и уменьшению поперечного размера продоль- ных структур. При уменьшении скорости наблюдалось обратное явление. Этот факт может быть связан с изменение толщины свободного слоя сдвига при изменении числа Рейнольдса.
- впервые изучено влияние частоты вихрей Кельвина - Гельмгольца на генерацию и характеристики продольных возмущений. Искусственное возбуждение неустойчивости Кельвина - Гельмгольца в свободном слое сдвига показало, что частота двумерных вихрей влияет на характерный размер и амплитуду продольных вихревых структур. Взаимодействие этих двух видов неустойчивостей может ускорять или затягивать процесс турбулизации струи.
Научная и практическая ценность состоит в том, что в работе на новом уровне изучена структура струйных течений, получена принципиально новая информация о формировании и развитии продольных вихревых структур в струях, их взаимодействии с двумерной неустойчивостью Кельвина — Гельмгольца, что может быть использовано и используется для верификации теоретических подходов, а также для создания более совершенных методов расчета и прямого численного моделирования. Полученные данные имеют практический интерес для специалистов, занимающихся управлением процессов массо- и теплообмена струйных течений.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, изложена на 124 страницах, включая 80 рисунков. Результаты диссертации опубликованы в работах, список которых представлен на страницах 55-56.
Первая глава содержит исторический обзор проблем, тем или иным образом связанных с исследуемой. Дается общая характеристика проблемы и обзор основных работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям явления перехода к турбулентности в соответствии с темой диссертационной работы. Показана роль стационарных продольных структур в процессе перехода к турбулентности в пограничном слое, слоях смешения и струях. Показана важность изучения роли вихрей Кельвина -Гельмгольца и трехмерных эффектов в переходе к турбулентности.
Вторая глава посвящена исследованию механизмов возникновения продольных вихревых структур непосредственно на выходе из сопла, их развития вниз по потоку и взаимодействия с вихрями Кельвина - Гельмгольца, акустического воздействия на эти процессы в круглой струе. Показаны картины дымовой визуализации круглой струи, сделанной при помощи синхронизированного лазерного ножа, в естественных и контролируемых условиях.
Третья глава посвящена изучению механизма возникновения и развития продольных структур в плоской струе. Продольные структуры генерировались контролируемым образом за элементами шероховатости на выходе из сопла, при помощи дымовой визуализации и синхронизированного лазерного ножа были получены визуализаци-онные картины течения в плоской струе. Продемонстрирован процесс взаимодействия
продольных структур и вихрей Кельвина — Гельмгольца, в результате которого происходит развитие периодической системы грибовидных структур вниз по потоку.
В четвертой главе описываются результаты исследования механизма возникновения и развития продольных структур в плоской пристенной струе. Качественные данные о возникновении продольных вихрей на выходе из сопла плоской пристенной струи были получены из визуализации потока. Исследования проводились в естественных и контролируемых условиях. Для контроля использовались элементы шероховатости и акустическое поле. Исследовалось влияние поперечного размера шероховатостей на поперечный размер структур и их амплитуду, а так же акустическое влияние на характеристики структур. Количественные данные были получены при помощи термоанемометри-ческих измерений. Исследовано влияние числа Рейнольдса на характеристики продольных структур. Продемонстрированы предварительные результаты измерений характеристик плоской пристенной струи при помощи метода PIV (Particle Image Velocimetry).
В пятой главе представлены результаты сравнения экспериментального и теоретического изучения динамики плоской пристенной струи при высоком числе Рейнольдса. Показано, что пристенная струя может быть описана решением уравнений пограничного слоя в ближнем поле струи. Проведено сравнение результатов экспериментов с прямым численным моделированием.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования возникновения и развития продольных структур в круглой, плоской и плоской пристенной струях методом дымовой визуализации при помощи импульсного лазерного ножа.
2. Результаты исследования влияния различных поперечных размеров шероховатостей на возникновение и развитие продольных структур.
3. Результаты исследования характеристик продольных структур при помощи термоанемометра.
4. Результаты исследования влияния числа Рейнольдса и акустического поля на генерацию, развитие и характеристики продольных возмущений.
5. Результаты предварительного исследования плоской пристенной струи при помощи метода PIV (Particle Image Velocimetry).
6. Сравнение результатов экспериментов по плоской пристенной струе с результатами вычислений по линейной теории и прямого численного моделирования.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Чалмерского Технологического Университета и представлялись на следующих конференциях:
Международная конференция "Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 2004,2005 гг.);
III Всероссийская конференция молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии" (Новосибирск, 2003 г.);
Международная конференция по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2002, 2004 г.);
Молодежная конференция "Шведские дни механики" (СТН, Гетеборг, Швеция, 2003 г.);
VII Азиатский симпозиум по визуализации (Сингапур, 2003 г.);
V Европейская конференция по механики жидкости (Франция, 2003).
Глава 1. История и состояние исследуемого вопроса
Знаменитое исследование, проведенное Рейнольдсом Осборном в 1883 г., было посвящено устойчивости течения в трубе. Труба была оборудована клапаном, с помощью которого производилось управление скоростью жидкости в трубе. Для визуализации режима течения в жидкость вводилась струйка чернил. В результате проведенного эксперимента было замечено, что при малой скорости потока чернила не смешивались с потоком жидкости, развиваясь в центральной части. При открытии клапана происходило плавное увеличение скорости течения жидкости, при этом подкрашенная струйка начинала колебаться. Ниже по течению амплитуда колебаний нарастала и при некоторой скорости, чернила полностью смешивались с потоком жидкости в трубе. Режим течения, при котором не происходило смешения подкрашенной жидкости, Рейнольде назвал ламинарным. Процесс колебания чернильной струйки и начальную стадию смешения с бесцветной жидкостью он назвал переходной стадией, полное смешение жидкости было названо турбулентной стадией.
После вышеупомянутого исследования Рейнольдса стало общепринятым разделять режимы движения жидкости на ламинарный, турбулентный и переходный. Таким образом, ламинарный поток - это упорядоченное, слоистое и предсказуемое течение, в отличие от него турбулентным считается хаотическое, вихревое и колеблющееся течение. Возмущения, неизбежно нарастающие в потоке переводят ламинарный режим течения в турбулентный. Этот процесс принято называть ламинарно-турбулентным перехо- дом. Для предсказания переходной области в пограничных слоях, струйных, отрывных течениях и течении Пуазеля успешно используется теория гидродинамической устойчивости. Однако остается не решенной задача описания сильно нелинейной стадии перехода с формированием трехмерного течения, а так же до сих пор не имеет теоретического описания проведенный Рейнольдсом эксперимент.
1.1. Ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое
Как известно, классический переход к турбулентности в пограничном слое при низкой степени турбулентности набегающего потока связан с развитием волн неустойчивости - так называемых волн Толлмина - Шлихтинга. Данный тип перехода детально исследован как теоретически, так и экспериментально [1], по крайней мере, на линейной
стадии. При этом используется линейная теория гидродинамической устойчивости [2 -4], которая с достаточно высокой точностью описывает линейные и слабонелинейные стадии перехода, что подтверждено многочисленными экспериментами.
Более сложными для теоретического описания являются нелинейные стадии перехода. Однако следует отметить, что и в исследованиях этих стадий перехода наблюдается значительный прогресс, особенно в области экспериментальных исследований. Начало было положено классическими экспериментами Клебанова [5], рассмотревшего трансформацию двумерной волны Толмина — Шлихтинга на нелинейной стадии ее развития в трехмерные вихревые структуры (Л-вихри) и их эволюцию вниз по потоку. Данный тип перехода называется Клебановским или /С-режимом. Позже был выявлен в эксперименте другой тип перехода, названный iV-режимом (субгармонический режимом), который был реализован в эксперименте [6] и был описан теоретически [7]. В обоих режимах возникали Л-вихри, но при дымовой визуализации процесса в iC-режиме они следовали друг за другом, а в JV-режиме выстраивались в шахматном порядке. Позднее был предложен ряд методов реализации обоих режимов [8], которые подтверждались экспериментальными и теоретическими исследованиями. Так же возможны другие сценарии перехода в пограничном слое плоской пластины, например переход, вызванный косыми волнами [9].
В более сложных (комплексных) пограничных слоях причины ламинарно-турбулентного перехода могут быть различными [10-14]. Как известно, неустойчивость трехмерного пограничного слоя (например, на вращающихся в покоящейся жидкости сфере, диске и конусе) и неустойчивость на скользящем крыле (неустойчивость поперечного течения) связаны с образованием стационарных трехмерных возмущений -cross/low vortices. Возникновение этих вихрей обусловлено рядом причин. В случае обтекания дисков, сфер, конусов наиболее важны центробежные силы. При обтекании скользящего (стреловидного) крыла появляется поперечная компонента средней скорости, вызывающая генерацию на передней кромке крыла в области ускоренного движения жидкости продольных стационарных вихрей. Продольные возмущения могут быть стационарными и нестационарными. Ярким примером таких возмущений являются так называемые полосчатые структуры (streaky structures), наблюдаемые в пограничном слое при повышенной степени турбулентности набегающего потока [15, 16] или в вязком подслое турбулентного пограничного слоя [17]. При повышенной степени турбулентно-
10
сти набегающего потока непрерывное проникновение внешних возмущений в пограничный слой приводит к возбуждению продольных структур (полосчатых структур), локально модулирующих пограничный слой [18-23]. В результате трехмерной модуляции потока стриками, развивается другой режим течения, в котором происходит нарастание высокочастотной вторичной неустойчивости, которая приводит к формированию турбулентных пятен, затем происходит переход от ламинарного режима течения к турбулентному. Процесс возникновения продольных структур называется первичной неустойчивостью течения. Развитие вторичных высокочастотных возмущений в области перегибной точки профилей средней скорости по трансверсальной координате в течении с полосчатыми структурами приводит к возникновению высокочастотных пакетов, трансформирующихся вниз по потоку в турбулентные пятна. Понятие вторичной высокочастотной неустойчивости подтверждено неоднократно экспериментально и численно [25-30, 30-35] для различных течений. В последнее время исследованию влияния трехмерности на устойчивость пограничных слоев уделяется большое внимание как в теоретических, так и в экспериментальных работах [36-39]. Прежде всего, это связано с необходимостью изучения природы ламинарно-турбулентного перехода в сложных течениях с решением следующих практических задач [40-44]: управление процессами перехода, снижение сопротивления трения на стреловидных крыльях, лопатках турбин, компрессоров и т.д. Следует отметить, что устойчивость пограничного слоя с продольными структурами значительно отличается от устойчивости двумерного пограничного слоя.
Для контроля положения ламинарно-турбулентного перехода могут использоваться элементы шероховатости, установленные на поверхности. При помощи шероховатости могут генерироваться стационарные и нестационарные возмущения. При использовании относительно больших высот шероховатостей возникают структуры, которые "сворачиваются" позади них и растягивается вниз по течению. Визуализация течения в работах [46, 47] показала, что переход в этом случае вызван подковообразными вихрями в следе за шероховатостью. Шероховатость меньшей высоты ведет к генерации локализованных трехмерных возмущений [46,48] и последующих продольных вихрей.
Таким образом, анализ результатов показал, что ламинарно-турбулентный переход в пограничных слоях зависит от многих условий [49], однако трехмерные эффекты играют центральную роль в процессе перехода, который может являться результатом
11
различного взаимодействия, главным образом, между стационарными и нестационарными возмущениями.
1.2. Ламинарно — турбулентный переход в слоях смешения и струях
В таких типах течения как течения со слоем смешения и струйные течения профиль средней скорости имеет точку перегиба. Неустойчивость подобных течений обычно связывают с неустойчивостью вихревых колец — вихрей Кельвина — Гельмгольца [50]. Динамику процесса развития и турбулизации кольцевых вихрей изучали многие исследователи. В работе [51] впервые показано, что сдвиговый слой осесимметричной струи содержит упорядоченные вихревые структуры. Измерения, выполненные в [52] показали, что вихревые структуры взаимодействуют и объединяются. Позднее была предложена модель "вихревой дорожки", описывающей эволюцию азимутальных вихрей [53]. Что касается пристенных течений, то внешний слой пристенной струи похож на свободный слой смешения, в котором развиваются вихри Кельвина — Гемгольца [54, 55]. Такой тип неустойчивости хорошо описывается теорией линейной устойчивости [54, 56] и двумерным численным моделированием [55, 57, 58], которое показало хорошее совпадение с экспериментами.
Было найдено, что трехмерные эффекты значительно усиливаются с увеличением уровня возмущений в потоке, т.е. с увеличением числа Рейнольдса. В результате в свободном слое сдвига развитие двумерного течения происходит одновременно с развитием вторичных продольных когерентных структур [50, 59, 60], которые возникают из внутренней неустойчивости первичных вихрей. Трехмерные возмущения проявляются как противовращающиеся продольные вихри, которые сформировались в областях между когерентными двумерными структурами. Результаты экспериментальных исследований были подтверждены численно [61, 62]. Область формирования трехмерных структур зависит от области возникновения и уровня трехмерных возмущений вверх по потоку. При высоком уровне внешних (случайных) возмущений наблюдаемые трехмерные мелкомасштабные образования могут разрушать крупномасштабные двумерные структуры [62]. Подобные наблюдения были сделаны в круглой струе [64, 65]. Экспериментальные исследования показали, что динамика развития продольных структур играет важную роль на поздних стадиях течения в круглой струе, а высокие коэффициенты поверхностного трения влияют на эволюцию пар продольной завихренности крутящихся в проти-
12
воположных направлениях. В плоской струе так же наблюдаются продольные вихри, которые развиваются между двумерными структурами Кельвина - Гельмгольца [63, 67]. Было установлено, что для пристенной струи трехмерные эффекты, очень важны даже при низком числе Рейнольдса см. [54, 55]. С увеличением числа Рейнольдса эти эффекты усиливаются.
Можно сделать вывод, что наличие трехмерных возмущений на начальном этапе ведет к образованию продольных вихревых структур ниже по течению. Продольные структуры играют доминирующую роль в процессе перехода к турбулентности в свободном сдвиговом слое, а также и в пристенно-пограничных слоях [59]. 1.3. Контроль за процессами смешения в струях
Понимание физики процессов смешения струйных течений важно как с фундаментальной, так и практической точек зрения. Как известно, процессы смешения связаны с переходом к турбулентности. Такие процессы регулируют степень перемешивания газа в камерах сгорания, уровень шума самолетов и аппаратов, а также влияют на распространение загрязнителей в промышленных районах. В практических задачах часто необходимо решать проблему интенсификации смешения струйного течения с окружающим течение газом. От скорости и степени их перемешивания зависят эффективность горения, степень тепломассопереноса, формирование загрязнителя, подавления шума струи и уменьшение размеров таких устройств [68].
Продольные вихри, генерируемые в струйном течении в дополнение к азимутальным вихрям (или кольцевым вихрям Кельвина - Гельмгольца), могут существенно повлиять на процесс смешения потоков жидкости. Продольные вихри в струйных течениях могут быть генерированы различными способами. Например, лепестковое сопло [69], см. рис. 1.6 использовалось для генерации крупномасштабных продольных вихрей в струе и рассматривается как перспективный метод интенсификации смешения газа в струе. Оно начинает широко применяется для регулирования выхлопов турбовентиляторных двигателей и эжекторов.
Например, для некоторых авиационных двигателей, таких как у самолетов компаний Боинг и Эйербас, лепестковые сопла - смесители используются для снижения шума выхлопной струи и расхода топлива [70, 71]. Для уменьшения инфракрасного излучения военного самолета, т.е. для обеспечения его выживаемости, лепестковые сопла - смесители используются с целью ускорения процессов перемешивания высокотемпе-
13
ратурного и высокоскоростного газа от двигателя с окружающим холодным воздухом [72, 73]. Они применяются на вертолетах "Tiger" (Германия, Франция), "Comanche" (США) и самолете-невидимке F-117. В последнее время лепестковые сопла используются для интенсификации смешения между топливом и воздухом в камерах сгорания, что способствует эффективному горению и снижению образования загрязнителей [74].
Впервые динамический механизм процесса смешения в лепестковом сопла - смесителе вниз по потоку изучен в [75]. Обнаружено, что такое сопло генерирует продольные вихри длиной порядка радиуса сопла. В процессе смешения эти вихри доминировали. Более детальную картину течения лепесткового смесителя вниз по потоку показали авторы работы [76]. Установлено, что взаимодействие вихрей Кельвина - Гельмгольца с продольными вихрями приводит к высокому уровню смешения. Продольные вихри деформируют вихри Кельвина - Гельмгольца в "морщинистые" структуры и интенсифицируют процесс смешения. Это приводит к созданию интенсивной мелкомасштабной турбулентности и смешению газов. В целом, эти работы показали, что искусственно генерированные лепестковым соплом крупномасштабные продольные вихри и азимутальные вихри Кельвина - Гельмгольца играют важную роль в процессе смешения ядра струи с окружающим течением.
Другой пример определяющей роли продольных вихревых структур в механизме смешения топлива с окружающим воздухом и стабилизации процесса струйного горения рассматривается в работе [77]. В отличие от вышеописанного, где продольные структуры искусственно создавались специальной геометрией соплозого аппарата, в данном случае исследовались продольные структуры, порождаемые вторичной неустойчивостью самой струи, и их роль в механизме смешения. Хорошо известно, что в струях, слоях сдвига и смешения при достаточном числе Рейнольдса вверх по потоку линейная неустойчивость Кельвина - Гельмгольца усиливается и происходит ее сворачивание в первичные, осесимметричные кольца [78]. Наблюдаются также другие организованные вихри как результат воздействия вторичных неустойчивостей. Эта структуры возникают в виде продольных, противовращающихся вихрей, которые накладываются на вихри Кельвина - Гельмгольца. Такие вихри исследованы в плоских слоях сдвига [79, 80] и наблюдались в круглых водяных струях [81]. Авторы [82, 83] пытаются объяснить формирование боковых струй в горячей струе через механизм развитая продольных вихрей.
14
Прямым численным моделированием трехмерных круглых струй [84, 85] или слоев сдвига [86] также было обнаружено присутствие вторичных вихрей. Исследования [80] показали, что возникновение продольных вихревых структур - это реакция сдвигового слоя на трехмерные возмущения выше по потоку. Продольные вихревые структуры впервые формируются в промежутке между двумя следующими друг за другом первичными вихрями (кольцами Кельвина - Гельмгольца) и затем проникают в их ядра. В це-
¦''- «Ч
лом, исследованиями [77] представлен следующий механизм стабилизации струйного горения: первичная неустойчивость струи (неустойчивость Кельвина - Гельмгольца) приводит к возникновению вихревых колец Бернара — Рошко. За счет вторичных неус-тойчивостей струи порождаются продольные вихри, которые выбрасываются в азимутальном направлении, от ядра струи в окружающий воздух, создавая характерную лепе-стковую форму поперечного сечения струи. На торцах этих лепестков возникают проти-вовращающиеся вихревые пары, которые интенсифицируют процесс перемешивания струи с окружающим воздухом. Эти области, где идет активное смешение топлива с воздухом, притягивают пламя и стабилизируют процесс горения.
Таким образом, роль продольных вихревых структур в процессе развития струйных течений очевидна. С другой стороны, вихревые структуры в струях сильно восприимчивы к шуму или акустическим возмущениям. Следовательно, искусственно генерированные возмущения можно использовать для значительного изменения и, даже, управления развитием структур в струях [87] например, для снижения турбулентности [88, 89]. Акустика может быть использована для изменения процесса горения и умень-Ф шения образования сажи и выбросов окиси азота [90] в процессах струйного горения. Эксперименты показали, что акустическое воздействие на струю интенсифицирует смешение и ускоряет процесс стабилизации горения. Детальные исследования управления различными струйными течениями с помощью акустического воздействия проведены в [91].
Цель настоящей работы состоит в детальном исследовании механизмов возникновения продольных вихревых структур в струях, изучение процессов их развития вниз по течению и взаимодействия с двумерными вихрями, исследование эффекта форсирования этих процессов. Особенный интерес с инженерной точки зрения представляют круглая, плоская и плоская - пристенная струи. Результаты экспериментального исследования сравнивались с теоретическим приближением.
15
f
Глава 2. Экспериментальное исследование продолных структур в осесимметрич-ной круглой струе и их роли в процессе ламинарно-турбулентного перехода
Глава посвящена исследованию механизмов возникновения продольных вихревых структур непосредственно на выходе из сопла. Исследовались процесс возникновения и динамика развития продольных структур вниз по потоку в естественных и контролируемых условиях, их взаимодействие с вихрями Кельвина — Гельмгольца, влияние числа Рейнольдса и акустического воздействия на процессы взаимодействия этих двух видов структур в круглой струе. Изучалась роль продольных структур в механизме смешения с помощью визуализации течения.
2.1. Экспериментальная установка и методика измерений
Схема экспериментальной установки для создания струйного течения показана на рис. 2.1. Она состоит из камеры (1) с набором детурбулизирующих сеток (2), оканчивающейся профилированным соплом (3) с круглым или плоским выходным отверстием (в данном эксперименте - круглым). Поток воздуха создавался вентилятором (не показан). Классическая схема течения в осесимметричной круглой струе (см. рис. 2.1) представляет собой потенциальное ядро (4), сдвиговый слой, где формируются кольцевые вихри Кельвина — Гельмгольца (5), полосчатые структуры на выходе из сопла (6). Скорость потока на выходе из сопла составляла Uo — 4 м/с, что соответствовало числу Рейнольдса RD = Uо D/v 10600, где диаметр круглого сопла D = 40 мм, кинематическая вязкость воздуха v = 1.5 -10"5 м2/с.
В данной работе представлены, главным образом, качественные результаты исследований, полученные простым, но эффективным методом дымовой визуализации при помощи импульсного лазерного ножа. Картина течения (рис. 2.1) в плоскости поперечного и продольного сечения струи снималась на видеокамеру. Включение лазерного светового ножа (7) было синхронизировано с частотой схода кольцевых вихрей, что позволяло более детально представить картину течения в струе на различных расстояниях от среза сопла как в поперечном, так и продольном направлениях.
В обычной постановке непрерывное освещение ограничивает применение лазерного ножа квазистационарными явлениями, что затрудняет изучение периодических ^ возмущений в потоке. Чтобы обойти это ограничение использовался импульсный полу-
16
проводниковый лазер с длиной волны 650 нм и мощностью импульса 150 мВт, в котором допускается синхронизация запуска импульса от фронта внешнего прямоугольного сигнала. Продолжительность импульса лазера в данном эксперименте была 255//с. Съемка производилась с частотой 25 кадров в секунду. Запись далее обрабатывалась в персональном компьютере.
Другой важный аспект исследований механизма развития струи связан с акустическим воздействием на нее. С этой целью использовался динамик (8), на который подавался синусоидальный электрический сигнал различной частоты. Струя облучалась звуком (140 Гц) в положении динамика как поперек, так и вдоль нее. Видеокамера фиксировала картину течения как с акустическим воздействием, так и без него.
2.2. Влияние продольных структур на процесс турбулизации струи 2.2.1. Визуализация течения в осесимметричной круглой струе
Хорошо известен процесс развития и турбулизации круглой струи. На рис. 2.2 из работы [92] показано, как ламинарный поток воздуха вытекает из круглой трубы при Re-10 000 и визуализируется с помощью дымовой проволочки. Во внешней области струи развиваются осесимметричные колебания (неустойчивость Кельвина - Гельмголь-ца), затем эта область струи сворачивается в вихревые кольца (вихри Кельвина - Гельм-гольца), после чего струя внезапно становится турбулентной. Структура дымового кольца показана на рис. 2.3 из [92] и представляет собой туго скрученную тороидальную спираль, возникающую из-за сворачивания вихревой пелены, отрывающейся от кромок сопла. Переход ламинарной струи в турбулентное состояние обусловлен первичной неустойчивостью (неустойчивостью Кельвина - Гельмгольца) и вторичной неустойчивостью вихревых колец (вихрей Кельвина - Гельмгольца). На рис. 2.4 из работы [92] хорошо видна неустойчивость вихревого кольца, обусловленная нарастанием волн вокруг вихревого кольца, которую часто называют неустойчивостью Уиднелла. Механизм возникновения и развития этих волн обычно объясняется взаимодействием вихрей Кельвина - Гельмгольца и продольных вихрей. Однако процесс генерации продольных вихрей в струйном течении пока не совсем ясен. Эти вихри можно искусственно генерировать с помощью специально спрофилированного сопла, либо они могут появиться в результате вторичной неустойчивости самой струи. В работе [93] показано, что продольные полос-
17 |
