Стационарный пограничный слой на пластине в газовом потоке, страница 11

Экспериментальные исследования нелинейной неустойчивости в пограничном слое показывают, что турбулизации течения всегда предшествует появление в области перед переходом возмущений с ярко выраженной трехмерной структурой. При появлении таких образований в пограничном слое поле средних и пульсационных скоростей приобретает  периодическую структуру в трансверсальном направлении. На картинках визуализации течения хорошо видно наличие крупномасштабных неоднородностей, так называемых l-образных вихрей, которые, развиваясь вниз по потоку, нарастают, всплывая по направлению к внешней границе пограничного слоя, и, взаимодействуя друг с другом, приводят к турбулизации течения. Следует заметить, что в зависимости от амплитуды первичных волн и их спектра, в пограничном слое могут наблюдаться различные сценарии ламинарно-турбулентного перехода. Они определяются преобладанием тех или иных нелинейных механизмов.

10.7. Переход ламинарного течения в турбулентное

Теория устойчивости дает много полезной информации о состоянии ламинарного течения. Она очень полезна при поиске путей воздействия на ламинарное течение, но пока она не дает возможности надежно предсказать положение перехода ламинарного течения в турбулентное.

Уже упоминалось о жестком возбуждении - неустойчивости по отношению к возмущениям конечной амплитуды. Такие возмущения могут возникать на поверхности летательного аппарата за счет шероховатости, наличия технологических элементов, окон, дверок, за счет вибраций, вхождения в области с повышенной турбулентностью, в местах стыковки теплоизоляционных пластин (как у воздушно-космических аппаратов типа "Буран") и т.д. Возникновение турбулентного режима в этих случаях происходит без предварительного усиления возмущений в соответствии с линейной теорией устойчивости. Для надежного прогнозирования перехода в этих условиях остается только опытное определение перехода и построение корреляционных зависимостей.

Однако при полете в спокойной атмосфере на аппаратах без провокационных турбулизаторов переход может осуществляться через усиление малых возмущений. Процесс перехода в этом случае можно условно разделить на три этапа:

1.  восприимчивость или генерация волн в пограничном слое;

2.  их усиление по законам линейной теории;

3.  нелинейное разрушение ламинарного режима течения.

Каждому из этих этапов соответствуют характерные области в пространстве по мере удаления от передней кромки крыла самолета вниз по потоку. Отметим, что последняя, нелинейная область перехода относительно малопротяженна и характер ее в значительной степени определяется свойствами исходного течения, внешних возмущений и процессами, происходящими в предыдущих двух областях.

Фактически мы уже познакомились со вторым и третьим этапами перехода, которые вместе описывают процесс развития возмущений. Первый этап, восприимчивость течения, дает начальные условия для неустойчивости. Понятно, что переход определяется не только тем, как быстро растут возмущения, но и тем какова их начальная амплитуда. Именно восприимчивость дает возможность связать внешние возмущения с начальными возмущениями в пограничном слое. Источником начальных возмущений может быть звук (особенно важный источник при сверх- и гиперзвуковых режимах полета), вибрации поверхности, турбулентность набегающего потока, шероховатость поверхности и т.д., в тех случаях, когда их воздействие не велико и порожденные ими возмущения малы. Разбиение на три этапа весьма условно и, как правило, этап нелинейного разрушения разделяют на дополнительные стадии. Один из возможных детальных сценариев перехода схематически показан на рис. 24. Здесь I – неустойчивость малых возмущений (волны Толлмина-Шлихтинга); II – трехмерное развитие волн конечной амплитуды (l-структуры); III – развитие продольных вихревых образований; IV – концентрация завихренности слоев сильного сдвига; V- образование турбулентных пятен; VI – развитие и взаимодействие турбулентных пятен. Как видно, переход ламинарного течения в турбулентное в пограничном слое является сложным непрерывным процессом. Он начинается с возбуждения малых возмущений и заканчивается установлением развитого турбулентного течения со своим характерным профилем средней скорости и внутренней структурой. Однако в практических приложениях важно понятие точка перехода. С точкой перехода связывают