СТРУКТУРА ЛОКАЛЬНЫХ ЗОН ОТРЫВА (ОТРЫВНЫХ ПУЗЫРЕЙ)

Как уже было сказано выше, в зависимости от скорости движения, формы крыла и угла, под которым оно расположено относительно потока, поведение оторвавшегося течения различно. При отрыве стационарного ламинарного течения оторвавшийся поток может вновь присоединиться к поверхности крыла. При этом возникает местная зона отрыва, или отрывной пузырь (см. [2]), которая обычно имеет небольшие размеры по сравнению с размерами самого крыла (см. рис. 1, а). В этом случае отрывная область на крыле существует в виде узкой полосы, вытянутой вдоль его размаха. В то же время в ней ярко проявляется фундаментальное свойство отрывных течений — гидродинамическая неустойчивость [1]. То есть неустойчивость возмущений малой амплитуды вызывает ламинарно-турбулентный переход и как следствие — сильное перемешивание жидкости, приводящие к присоединению потока к поверхности. Таким образом, в данном случае отрывная зона формируется в переходном режиме, то есть при переходе к турбулентности в пределах области отрыва или вблизи нее. Упрощенная схема включает в себя отрыв ламинарного пограничного слоя, последующий переход к турбулентности и присоединение турбулизованого потока.

Как известно, с физической точки зрения процесс перехода ламинарного течения в турбулентное состояние при малой интенсивности внешних возмущений состоит из трех условно разделяемых этапов: генерации волн сдвигового слоя, их усиления по законам линейной теории и нелинейного разрушения ламинарного режима течения. Каждому этапу в перечисленной последовательности соответствует характерная область в пространстве по мере возрастания расстояния от передней кромки модели. Отметим, что последняя, нелинейная область развития процесса перехода относительно малопротяженна и характер ее в значительной степени определяется свойствами исходного течения, внешних возмущений и процессами, происходящими в предыдущих двух областях.

Рассмотрим вначале неустойчивость локальных отрывных зон к возмущениям малых амплитуд.

Линейная устойчивость отрывных течений

Прежде чем обратиться к собственно характеристикам устойчивости течений, необходимо отметить особенность локальных областей отрыва, отличающую их от других течений типа пограничного слоя в отношении применимости линейной теории. В переходном режиме поле скорости во всей области отрыва, в том числе на ее ламинарном участке, где развиваются волны неустойчивости, зависит от возмущенного течения ниже по потоку в зоне перехода и присоединения оторвавшегося слоя. Вследствие этого возбуждение колебаний малых амплитуд сопровождается изменением среди их характеристик течения, величина которого зависит от амплитуды колебаний. В итоге нарушается исходное положение линейной теории, в которой исследуются характеристики возмущений, наложенных на заданное среднее во времени течение.

Эксперименты показали, что, несмотря на указанное обстоятельство, характеристики волн неустойчивости оказываются независящими в пределах точности определения от амплитуды колебаний при ее малой величине и в этом отношении возмущения развиваются линейно по амплитуде. Это парадоксальное свойство объясняется тем, что в зоне отрыва доминирует неустойчивость слоя смешения, формирующегося на границе области циркуляции, который сам по себе консервативен, а искажение возмущениями малых амплитуд среднего течения сводится по существу к изменению расстояния от слоя смешения до обтекаемой поверхности, а форма профиля скорости в окрестности точки перегиба (чем и определяется неустойчивость профиля) у границы отрывного пузыря при возбуждении течения практически не изменяется, то есть в начальной стадии усиления колебания ведут себя как линейные волны. Особенностью дисперсионных характеристик волн неустойчивости для данного течения является слабая зависимость фазовой скорости распространения от частоты двумерных колебаний и продольного волнового числа от направления фазового фронта плоских трехмерных волн.

Возбуждение колебаний малой амплитуды возмущениями внешнего потока

В линейной теории устойчивости, применение которой к локальным областям отрыва обсуждалось в предыдущем разделе, не рассматривается вопрос о происхождении колебаний малых амплитуд, приводящих к турбулизации течения. Развитие возмущений на линейной стадии связывается с внешними относительно рассматриваемого течения условиями задачей о возбуждении волн неустойчивости. В исследованиях ламинарно-турбулентного перехода в открытых системах она формулируется в виде отдельного вопроса, который называется проблемой восприимчивости. В ее рамках изучаются механизмы преобразования возмущений внешнего потока в собственные колебания сдвиговых течений с конечной целью определения начальных амплитуд волн неустойчивости, что необходимо для более точного предсказания перехода к турбулентности в каждом конкретном случае.

Выделение проблемы восприимчивости в качестве самостоятельной задачи при исследовании процесса возникновения турбулентности имеет смысл в случае конвективной (сносовой) неустойчивости течения. Применение аналогичного подхода к отрывным течениям предполагает, таким образом, что и в этом случае конвективная неустойчивость является доминирующим механизмом процесса турбулизации. Результаты, полученные в эксперименте, оправдывают это представление для рассматриваемых в настоящей статье локальных отрывных зон, возникающих при низких дозвуковых скоростях потока.

Основными источниками собственных возмущений сдвигового слоя в течениях несжимаемого газа являются акустические колебания, возмущения завихренности набегающего потока и вибрации поверхности.

Эксперименты по возбуждению волн неустойчивости в локальных областях отрыва пограничного слоя акустическими возмущениями внешнего потока показывают, что генерация колебаний может идти различными путями в зависимости от условий возникновения отрыва. Способы возбуждения включают генерацию возмущений завихренности в пограничном слое выше по потоку точки отрыва с последующей их трансформацией в волны неустойчивости отрывного течения и порождение последних в окрестности самой точки отрыва.

Задача, в которой реализуется первый путь возбуждения, — отрыв пограничного слоя от гладкой поверхности на участке распределенного положительного градиента давления во внешнем потоке. В этом случае колебания проникают в отрывную зону из предотрывного пограничного слоя, тогда как генерация вблизи самой точки отрыва не регистрируется.

В отношении способов возбуждения отрыв на локальных геометрических неоднородностях обтекаемой поверхности представляет собой иной случай, в котором возбуждение колебаний может осуществляться по тому и другому пути.

Нелинейные эффекты в области отрыва потока

Линейное приближение, используемое для описания начального этапа процесса перехода к турбулентности в условиях низкой возмущенности набегающего потока, неприменимо с ростом амплитуды колебаний в направлении течения. За областью их линейного усиления следует нелинейная стадия, где компоненту возмущения ламинарного течения нельзя более рассматривать как суперпозицию линейно-независимых колебаний и ее характеристики определяются нелинейными эффектами — волновыми взаимодействиями. В спектральном представлении процесс перехода в зоне отрыва пограничного слоя, его нелинейный этап, начинается с разрушения пакета колебаний в частотном спектре пульсаций, сформированного в области линейной неустойчивости. На участке протяженностью порядка длины волны колебаний, обладающих максимальным инкрементом в линейной области, происходит переход от возмущенного ламинарного течения к турбулентному, и это выглядит как превращение пакета волн неустойчивости в широкий спектр пульсаций.

В целом здесь можно выделить следующие основные явления на нелинейной стадии процесса перехода в локальных областях отрыва ламинарного пограничного слоя: пути разрушения ламинарного течения, как и при переходе к турбулентности в других слоях сдвига, включают наряду с другими возможными механизмами стохастизации резонансное возбуждение субгармоники колебаний, усиленных на предшествующем этапе линейной неустойчивости, и комбинационные взаимодействия гармоник частотного спектра. Особенность субгармонического возбуждения, обусловленная дисперсионными характеристиками течения в зоне отрыва, заключается в том, что при резонансе происходит усиление колебаний в широком спектре частот и волновых чисел: как двумерной компоненты, так и плоских трехмерных волн.

Характер перехода к турбулентности зависит от начальных условий — спектра пульсаций, формирующегося в конце участка линейного развития колебаний. Указанные выше свойства проявляются в процессе турбулизации, протекающем при относительно однородном (без интенсивных гармонических компонент) начальном спектре возмущений. В условиях монохроматического возбуждения волн неустойчивости достаточно большой начальной амплитуды может реализоваться другой режим течения, в котором нарушается соответствие между различными критериями перехода, генерация компонент сплошного спектра подавляется и течение становится более регулярным по сравнению со случаем однородного начального спектрального распределения. При этом процесс перехода на этапе развития нелинейного детерминированного возмущения до начала усиления пульсационного фона протекает в двумерном течении.

Эффекты обратной связи в областях отрыва пограничного слоя

Общим свойством переходных отрывных течений является зависимость поля скорости во всей зоне отрыва, включая ее ламинарный участок, от перехода к турбулентности, который происходит в пределах отрывной области или вблизи нее. В частности, влияние процесса перехода вверх по потоку выражается в искажении профилей скорости среднего течения при возбуждении волн неустойчивости, о чем говорилось выше, то есть колебания малых амплитуд, возбужденные в зоне отрыва тем или иным способом, воздействуют на процесс ламинарно-турбулентного перехода и течение в районе присоединения оторвавшегося слоя. Вызванное этим возмущение распространяется на всю отрывную зону, что ведет к изменению распределения скорости среднего течения, которое может на порядок величины превышать локальный в том же сечении по продольной координате максимум амплитуды возбужденных колебаний.

В простейшей интерпретации данный эффект рассматривается как результат зависимости поля течения от положения перехода к турбулентности за точкой отрыва. Вместе с тем представление о точке перехода является упрощением, целесообразным в первую очередь в технических приложениях, тогда как физический смысл имеет процесс перехода в протяженной области, который формирует течение в отрывной зоне.

Результаты исследований в этой области приводят к следующим основным заключениям: модель обратного влияния возмущенного течения в переходной области отрыва пограничного слоя, подразумевающая корреляцию средних во времени характеристик отрывного течения с положением перехода к турбулентности, можно расценивать как первое приближение к физической картине течения. В экспериментах получено свидетельство того, что среднее течение в области отрыва не имеет однозначной связи с координатой точки перехода, а зависит от самого процесса перехода к турбулентности, сопровождающего отрыв пограничного слоя.

Зависимость среднего течения в локальных областях отрыва от развивающихся в них возмущений, присущая переходным отрывным течениям, может иметь место и в чисто ламинарных течениях, то есть без перехода к турбулентности в пределах отрывной зоны либо вблизи нее. В этих условиях эффект связан с нарастанием волны неустойчивости, достигающей нелинейной амплитуды в районе присоединения оторвавшегося слоя. Изменение среднего течения в данном случае, очевидно, не столь велико, как в переходных режимах, и не вызывает значительных с точки зрения инженерных приложений изменений интегральных аэродинамических характеристик обтекаемого тела. Тем не менее, в связи с развитием фундаментальных представлений о свойствах отрывных течений этот факт заслуживает внимания, поскольку означает, что характеристики ламинарного и одновременно неустойчивого течения в зоне отрыва необязательно идентичны предсказанным в рамках стационарных моделей отрыва потока.

Наряду с воздействием колебаний на распределение скорости среднего течения эффект обратного влияния есть также зависимость частотного спектра колебаний вблизи точки отрыва от возмущенного течения ниже по потоку. Нарушение суперпозиции возбуждаемой волны неустойчивости со спектром фоновых пульсаций - особенность процесса перехода к турбулентности в областях отрыва пограничного слоя, отличающая их от других конвективно-неустойчивых сдвиговых течений.

В целом необходимо отметить, что в описанном выше случае зоны оторвавшегося потока двумерны, но их топология глобально меняется в случае больших углов атаки.