ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Квазиупорядоченный характер течения в пристеночной области турбулентного пограничного слоя из "Турбулентный пограничный слой" В ранних работах [1.8-1.10] предполагалось, что в турбулентном пограничном слое вблизи обтекаемой поверхности (стенки) существует область невозмущенного ламинарного течения, в которой все процессы обмена носят чисто молекулярный характер. Однако уже в опытах 1.11, 1.12], где визуально исследовалось движение мелких взвешенных частиц в турбулентном потоке воды, было обнаружено, что в пределах этого ламинарного подслоя имеют место интенсивные пульсации продольной составляющей скорости, соизмеримые с величиной местной осредненной скорости потока. Это иллюстрируется на рис. 1.1, где приведены результаты измерений мгновенных значений скорости в области подслоя [1.13]. (Здесь = О/пт, у = уи /и где Пт = у/т /р — динамическая скорость). [c.9] Эйнштейн и Ли [1.20, 1.21] предложили качественно новую модель течения в турбулентном пограничном слое, согласно которой вязкий подслой не является установившимся и чисто ламинарным, а периодически нарастает до некоторой критической толщины, а затем разрушается под действием механизма гидродинамической неустойчивости. Эта модель течения позволила устранить кажущееся противоречие между свойствами обтекаемой стенки одновременно как порождать, так и демпфировать турбулентные пульсации. Модель Эйнштейна и Ли нашла экспериментальное подтверждение в опытах [ 1.22. [c.10] В опытах [1.23, 1.24] были проведены более детальные исследования структуры течения вблизи стенки с использованием метода визуализации потока с помощью водородных пузырьков, создаваемых электрохимическим способом. В [1.24] полный цикл процесса обновления подслоя рассматривается как непрерывная последовательность событий, ведущая от сравнительно упорядоченного, спокойного течения вблизи стенки к образованию относительно крупных хаотических возмущений. При этом выделяются три наиболее характерные стадии полного цикла, каждая из которых, с небольшими отклонениями, повторяется во всех случаях наблюдений. [c.11] Вторую стадию полного цикла обновления подслоя представляет колебательное движение. Наибольший вклад в этот тип движения дают продольно ориентированные вихри (рис. 1.4 а), размеры и интенсивность которых возрастают по мере их движения вниз по потоку. Менее часто (приблизительно в одной трети случаев) наблюдаются два других вида колебательного движения—это поперечно ориентированные вихри (рис. 1.46) и волнообразное движение, которое можно рассматривать как прерывисто-поступательное движение жидкости. [c.12] Вначале колебательное движение носит упорядоченный характер. Однако после 3-10 периодов наступает третья стадия цикла — хаотическое движение жидкости, являющееся признаком разрушения организованного характера течения. После третьей стадии цикла мгновенный профиль скорости постепенно принимает первоначальную форму (которая была до первой стадии), близкую к форме профиля осредненной скорости в пограничном слое. [c.12] Описанная последовательность событий представляет собой полный цикл типичного элементарного процесса обновления подслоя в турбулентном пограничном слое. [c.12] В этой области течения, где имеет место линейное распределение средней скорости, жидкость стремится отклониться от прямолинейного движения, что выражается в перемещении малых количеств жидкости под некоторым углом к стенке. Возмущения скорости в этой области невелики, и жидкость редко покидает эту область. Предполагается, что движение жидкости здесь определяется, в основном, сильными возмущениями скорости, генерируемыми в прилегающей сверху области. С увеличением числа Рейнольдса усиливается обмен жидкостью между подслоем и прилегающей сверху областью. [c.13] Эта область, в отличие от сравнительно пассивной области подслоя, включает в себя зону зарождения выбросов замедленной жидкости (5 у 15) во внешнюю область пограничного слоя, а также зону максимального взаимодействия этих выбросов с местным потоком, имеющим большую осевую скорость (7 у 30). Процесс выброса замедленной жидкости и последующее взаимодействие его с течением в области с большим напряжением сдвига, по-видимому, и представляет собой тот механизм, при помощи которого энергия извлекается из среднего течения и преобразуется в турбулентную энергию. Взаимодействие выбросов с более быстрым течением (при наличии малых жидких объемов) характеризуется малым масштабом турбулентности и беспорядочными, хаотическими движениями жидкости. Большая доля образовавшейся здесь турбулентной энергии тут же диссипирует. [c.13] Экспериментальные исследования [1.22-1.25] способствовали проведению серии новых экспериментов по изучению структуры течения в пристеночной области, которые в значительной мере дополнили и расширили уже имевшиеся сведения. [c.14] Отметим опыты [1.27], где использовалась водородно-пузырьковая техника визуализации течения в двумерном канале. Основное внимание уделялось изучению процессов формирования и развития вихревых структур в пристеночной области. Отмечается систематическое появление в пристеночной области течения продольно и поперечно ориентированных вихрей (рис. 1.5), размеры и интенсивность которых, а также положение в пространстве и время появления являются случайными и изменяются в широких пределах. При этом выраженная индивидуальность вихревых структур проявляется лишь в области стенки (у 120). Скорость перемещения вихревых структур вблизи стенки, как правило, превышает местную среднюю скорость потока. По мере движения вниз по потоку масштаб вихрей (как продольно, так и поперечно ориентированных) возрастает, а их интенсивность уменьшается. [c.14] Одним из основных результатов наблюдений [1.27] является то обстоятельство, что продольно ориентированные вихревые структуры существуют, в основном, в виде пар противоположно вращающихся вихрей, часто соединенных поперечно ориентированным жгутом, образующих в результате подковообразный вихрь. Существование подковообразного вихря лежит в основе физической модели течения в турбулентном пограничном слое, предложенной Блэком [1.28-1.30]. [c.14] Важные количественные результаты были получены в опытах Грасса [1.31], в которых исследовался турбулентный пограничный слой на гладкой и шероховатой поверхностях с применением водородно-пузырьковой техники визуализации. С помощью автоматической обработки результатов киносъемки одновременно определялись мгновенные профили как продольной, так и вертикальной составляющих скорости, и у) и у у). Весь набор измеренных профилей скорости был разделен на 12 групп, по 50 пар профилей в каждой группе. Затем из каждой группы выбиралась лишь одна пара профилей, соответствующая максимальному (или минимальному) значению продольной составляющей скорости на заданном расстоянии уг от стенки. Таким образом, для каждого значения yi набиралось 12 пар профилей скорости и у), ь у). [c.14] На рис. 1.6 приведены опытные данные [1.31] для нескольких значений Уг в условиях обтекания гладкой стенки. Видно, что замедление продольной составляющей местной скорости и связано с наличием положительной вертикальной составляющей скорости V, причем эта особенность наиболее четко проявляется вблизи стенки, при малых значениях yi. С физической точки зрения это явление можно увязать с описанными в [1.22-1.25] выбросами замедленной жидкости из пристеночной зоны во внешнюю область течения. С другой стороны, по данным [1.31] ускорение продольной составляющей скорости и связано с наличием отрицательных значений V в этой области, что физически соответствует местным вторжениям быстро движущейся жидкости из внешней области течения в пристеночную зону. [c.16] Таким образом, из опытов [1.31] следует вывод, что вторжения ускоренной жидкости в пристеночную область течения играют в процессах обновления подслоя не менее важную роль, чем выбросы замедленной жидкости из пристеночной области во внешнюю часть слоя. Заметим, что в [1.24, 1.25 механизм порождения турбулентности вблизи стенки связывается в основном с выбросами замедленной жидкости. [c.16] Одно из этих событий — это замедление течения жидкости относительно местной средней скорости потока, которое происходит в широкой области течения, вплоть до расстояния у и 500 от стенки. Само движение жидкости носит относительно спокойный характер, при этом поперечный градиент скорости (1и/(1у является относительно малым. Затем в поле зрения движущейся кинокамеры появляется большая масса ускоренной жидкости и 11), поступающей из области, расположенной вверх по потоку. Вначале ускоренная жидкость занимает только внешнюю область течения 150 у 400, но затем она постепенно распространяется и в пристеночную область, вытесняя и разгоняя замедленную жидкость, находящуюся впереди нее. Следует также отметить, что сначала резкой границы между зонами замедленной и ускоренной жидкости не наблюдается. Однако по мере приближения к стенке эта граница становится все более и более четкой. [c.17] Наиболее важным событием является формирование во внешней области течения поперечно ориентированного вихря в результате неустойчивого взаимодействия между зонами ускоренной и замедленной жидкости (рис. 1.7). [c.17] Как отмечается в [1.32], результаты приведенных выше наблюдений не позволяют выявить причину появления замедлений и ускорений жидкости, приводящих к сложной картине течения в пристеночной области. Можно лишь констатировать, что крупномасштабные движения ускоренной жидкости, являющиеся причиной образования поперечно ориентированных вихрей, зависят от условий течения во внешней области слоя. Поскольку эти вихри регулируют условия появления выбросов, то в [1.32] считается, что частота протекания процессов обновления подслоя должна определяться параметрами внешнего течения. [c.18] Вернуться к основной статье