|
|
УПРАВЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТЬЮ СДВИГОВЫХ ТЕЧЕНИЙ
Явление ламинарно-турбулентного перехода
Под понятием «переход», как правило, понимаются собственно процесс распада ламинарного режима и формирование турбулентного течения. Начало перехода обычно связывают с появлением бурных процессов в виде турбулентных пятен и низкочастотных пульсаций большой амплитуды. Однако в настоящее время стало совершенно очевидным, что длинная последовательность физических процессов, приводящая в конечном счете к разрушению ламинарного течения (по крайней мере в случае малой интенсивности внешних возмущений), берет начало намного раньше, а именно в трансформации внешних возмущений различной природы во внешнем потоке в волны пограничного слоя либо в их генерации в самом пограничном слое, происходящей на неровностях обтекаемой поверхности (уступы, шероховатости и т. п.). В соответствии с этим термин «процесс перехода к турбулентности» или эквивалентный ему термин «возникновение турбулентности» понимаются в широком смысле как совокупность всех явлений, ответственных за разрушение ламинарного режима течения и образование турбулентного пограничного слоя. Таким образом, процесс перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентное состояние при малой интенсивности внешних возмущений состоит из трех условно разделяемых этапов: генерация волн пограничного слоя, их усиление по законам линейной теории и нелинейное разрушение ламинарного режима течения. Каждому этапу в перечисленной последовательности соответствуют характерные области 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. Описанная последовательность стадий перехода схематически показана на рис. 3.
| ||||
| ||||
|
Как видно, переход ламинарного течения в турбулентное в пограничном слое является непрерывным процессом, начиная от возбуждения малых возмущений и кончая 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 начало заметных изменений в структуре течения и его интегральных характеристик. На фиксации этих изменений основано множество способов экспериментального определения положения точки перехода: по отклонению средней скорости от ламинарного закона, по изменению закономерности распределения полного давления (один из наиболее распространенных методов), коэффициентов трения и теплоотдачи, характеру поведения возмущений при термоанемометрических измерениях и по распределению коэффициента перемежаемости и т.д. Перестройка течения происходит неоднородно по толщине пограничного слоя и различным образом сказывается на различных параметрах течения.В действительности понятие точки перехода является не строго определенным. Но, несмотря на условность самого определения, важно теоретически предсказать ее местоположение. Ряд методов основан на тэйлоровской модели возникновения турбулентности как результате образования локальных отрывов, что может иметь место при большой степени турбулентности. Другая группа методов расчета основана на использовании модельных уравнений развитого турбулентного течения. Не вдаваясь в обсуждение достоинств и недостатков этих и некоторых других подходов к решению задачи предсказания перехода, отметим, что наиболее обоснованными с физической точки зрения являются методы, базирующиеся на концепции гидродинамической неустойчивости течения. Предсказание точки перехода, определенной тем или иным способом, должно включить в себя три основных элемента: 1) определение состава начальных возмущений в пограничном слое, возбуждаемых различными внешними возмущениями, то есть решение проблемы восприимчивости; 2) расчет линейного развития малых возмущений (волн Толлмина-Шлихтинга) в пограничном слое; 3) определение и расчет доминирующих нелинейных процессов, приводящих к тому или иному явлению (трехмерное искажение плоских волн, начало вторичной неустойчивости, начало бурного роста всех возмущений, существенное искажение профиля средней скорости и т.п.), характеризующему начало разрушения ламинарного течения. Говоря об определении начального состава возмущений в пограничном слое, отметим, что в настоящее время только в некоторых частных случаях это можно сделать. Методы расчета линейного развития возмущений в пограничном слое (второй элемент) развиты лучше всего. Адекватность описания процесса развития волн Толлмина-Шлихтинга (Т-Ш) с помощью линейной теории гидродинамической устойчивости подтверждена экспериментально. Для осуществления третьего основного элемента предсказания точки перехода до сих пор нет никаких рациональных методов, так как механизмы даже отдельных нелинейных процессов изучены не полностью. Возможно, решение этой проблемы будет найдено на пути интегрирования полных трехмерных уравнений Навье-Стокса, но это дел о будущего. Однако, хотя полная теория перехода должна включить в себя область нелинейных эффектов, некоторые обстоятельства позволяют ее обойти при практических расчетах положения точки перехода. Экспериментальные данные показывают, что нелинейные процессы, дающие начало разрушению ламинарного течения, протекают очень быстро и на большой части (90-95%) протяженности пограничного слоя от начала его развития до точки перехода происходит развитие малых возмущений, описываемое линейной теорией гидродинамической устойчивости. Это дает возможность при надлежащем выборе критерия перехода использовать линейную теорию для предсказания точки перехода, пренебрегая деталями нелинейных процессов. Методы воздействия на среднее течение Потенциальная возможность существенного снижения сопротивления за счет затягивания перехода к турбулентности в пограничном слое обтекаемых тел хорошо известна. Управление переходом к турбулентности основывается на том фундаментальном факте, что турбулентность в пограничном слое возникает как результат роста малых возмущений, собственных колебаний, волн Толлмина-Шлихтинга. Методы управления имеют целью создать такие условия, при которых течение в пограничном слое было бы более устойчиво, то есть управление осуществляется воздействием (пусть достаточно малым) на среднее течение в пограничном слое. Известны методы достижения этого: создание благоприятного градиента давления, охлаждение поверхности в воздухе или нагрев ее в воде, отсос и т.д. Это методы, теоретической основой которых является линейная теория гидродинамической устойчивости. Примером такого влияния является отсасывание пограничного слоя (см. [2]). В этом случае отсасывание стабилизирует ламинарный пограничный слой и уменьшение сопротивления достигается в результате предупреждения перехода ламинарной формы течения в турбулентную. Действие отсасывания проявляется двояким образом: во-первых, отсасывание уменьшает толщину пограничного слоя, а более тонкий пограничный слой имеет меньшую склонность к переходу в турбулентное состояние, чем толстый пограничный слой; во-вторых, отсасывание ламинарного пограничного слоя создает в нем такие профили скоростей, которые обладают более высоким пределом устойчивости, то есть более высоким критическим числом Рейнольдса, чем профили скоростей в пограничном слое без отсасывания. Рассмотрим случай равномерного распределенного отсасывания. В этом случае важное значение имеет вопрос о количестве среды, которое необходимо отсасывать для сохранения пограничного слоя ламинарным. Увеличением количества отсасываемой среды можно сделать толщину пограничного слоя чрезвычайно малой и всегда меньшей предела устойчивости. Однако увеличение количества отсасываемой среды невыгодно экономически, так как при чрезмерном отсасывании значительная часть мощности, сэкономленной благодаря уменьшению сопротивления, вновь расходуется на это чрезмерное отсасывание. В связи с этим весьма важно определить минимальное количество отсасываемой среды, достаточное для сохранения пограничного слоя ламинарным. Это минимальное количество отсасываемой среды одновременно обеспечивает и максимальное уменьшение лобового сопротивления, достигаемого посредством отсасывания. В самом деле, любое большее количество отсасываемой среды создает тонкий пограничный слой, а вместе с тем и большее касательное напряжение на стенке. Приведенные результаты расчетов по влиянию отсасывания на кривые нейтральной устойчивости убедительно свидетельствуют о весьма эффективном стабилизирующем действии отсасывания. Таким образом, течение в пограничном слое при отсасывании сохраняется ламинарным не только благодаря уменьшению толщины слоя, но также, и притом в гораздо большей степени, благодаря повышению предела устойчивости для профилей скорости. Методы подавления и усиления собственных возмущений Как уже было сказано выше, эффективным является управление ламинарно-турбулентным переходом при воздействии на средние течения. В какой-то мере альтернативным путем управления переходом, более эффективным с энергетической точки зрения, является воздействие не на средний поток, а на сами возмущения, то есть развивающуюся волну можно усилить или подавить с помощью волны той же природы с соответствующей относительной фазой. Данный путь управления переходом требует эффективных и в то же время практических методов генерации возмущений (и понимания физики ламинарно-турбулентного перехода) в пограничном слое, а также умения правильно поставить и решить задачу о восприимчивости пограничного слоя к внешним возмущениям, то есть уметь решать задачу с начальными данными. Приведем пример такого воздействия на ламинарно-турбулентный переход, вызванный вибрирующей ленточкой, когда воздействие осуществлялось порождением дополнительной волны с помощью периодического вдува-отсоса. В случае малых амплитуд возмущений можно наблюдать, что при сдвиге фаз одной волны относительно другой, равном 180°, происходит интенсивное подавление волны неустойчивости, вызванной колебаниями ленточки. На рис. 4 приведены кривые нарастания амплитуд возмущений для этого же случая, когда амплитуды обеих волн были увеличены на порядок, чтобы произошел контролируемый переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Видно, что при вычитании двух колебаний ламинарно-турбулентный переход на пластине не наблюдается совсем.
Рис. 4. Управление ламинарно-турбулентным переходом: 1 — переход, вызываемый естественной волной неустойчивости; 2 — переход, вызываемый волной неустойчивости при периодическом вдуве-отсосе от ряда отверстий в фазе с естественной волной; 3 — волна от ряда отверстий в противофазе с естественной волной В принципе активное управление включает в себя датчики, анализаторы и активаторы. Непосредственное активное управление неустойчивостью существенно отличается от многих предшествующих попыток задержки перехода, которые основаны на изменении профиля средней скорости (например, отсосом пограничного слоя). При подходе, связанном с управлением неустойчивостью, уничтожаются или по крайней мере уменьшаются по амплитуде развивающиеся возмущения путем использования принципа суперпозиции. Для управления ламинарно-турбулентным переходом можно использовать любые способы возбуждения волн в пограничном слое, если переход связан с явлением линейной неустойчивости. Для этого нужно создать устройство (активатор), которое эффективно генерирует другую волну той же амплитуды, но с противоположной фазой. Опенки показывают, что увеличение числа Рейнольдса перехода в воде можно получить разрушением волны Т-Ш, затратив 10 Вт электрической мощности, тогда как, чтобы достичь того же эффекта при идентичных условиях течения, используя непрерывный нагрев поверхности, необходимо 2000 Вт. Управление ламинарно-турбулентным переходом в пограничных слоях разрушением волн было предметом многих недавних экспериментов и симуляций (см., например, [3]). В этих работах возмущения в пограничном слое возбуждались вибрирующей лентой, системой нагревательных элементов или звуком. Управляющая волна, созданная вторым волнообразователем, расположенным ниже по потоку, например вибрацией поверхности, используется для минимизации амплитуды первичной волны Т-Ш в пограничном слое путем введения управляющей волны подходящей амплитуды, но при этом была выявлена важность выбора подходящего активатора. Так, вибрирующая лента не идеальный активатор, поскольку обладает инерцией, и введение любых поперечных модуляций затруднено. Периодический вдув-отсос через маленькие отверстия, нагрев системой вделанных в поверхность элементов или локализованные вибрации — потенциально более обещающие активаторы. В подходе, описанном выше, основным предположением является то, что естественные волны имеют некоторые доминантные возмущения, которые можно характеризовать волнами. Предполагается, что эти неустойчивости характеризуются дискретными частотами в спектре. В этом случае спектральный контроллер должен знать распределение энергии по частотам и (для трехмерных волн) пространственное волновое число. Для двумерных возмущений можно использовать лишь один датчик, где сама геометрия предопределяет доминирование двумерных волн, тогда как для контроля даже простейших наклонных плоских волн, чтобы определить их фазы, амплитуду и наклон, нужно использовать два датчика. Как видно, простое разрушение волн имеет смысл только тогда, когда возмущения все еще относительно малы, их рост определяется линейным уравнением и применим принцип суперпозиции. Из сказанного следует, что необходимо изучить применимость этого метода для управления произвольным трехмерным полем возмущений. Кроме того, нужны исследования для оценки применимости метода в присутствии различных начальных условий, представляющих альтернативные пути для ламинарно-турбулентного перехода (так называемые обходные пути перехода). За линейной стадией исходные двумерные волны неизбежно вызывают почти-периодические поперечные модуляции, в результате вторичной неустойчивости развиваются мелкомасштабные трехмерные структуры и, наконец, происходит окончательный переход. Неудивительно, что для достижения существенной задержки перехода на этой нелинейной стадии или в трехмерных течениях использование методов разрушения волн требует применения большого количества детекторов возмущений и сложной системы управления, которая может разрушить как первичные, так и остаточные возмущения. Микроэлектромеханические системы Уменьшение сопротивления в (почти-)турбулентном пограничном слое и задержка ламинарно-турбулентного перехода — огромный вызов исследованиям в механике сред. Соответствие масштабам длин между активаторами и контролируемыми явлениями — основное требование в этих случаях. В существующих методах управления было невозможно идентифицировать структуры и провести выборочное управление ими в реальном времени. Микромашинная технология [4, 5] является новейшей областью техники, которая позволяет производить механические части и целые устройства микронных размеров (рис. 5). Для механики жидкости и газа эта технология дает
| ||||
| ||||
|
возможность создавать микродатчики и микроактиваторы для управления течением. Их масса, теплопроводность и другие инерциальные характеристики очень малы. Таким образом, удовлетворяется основное требование к датчикам и активаторам — отклик на высокие частоты. Более того, можно достичь интерактивного распределенного управления соединением на одной поверхности микродатчиков, микроактиваторов и микропроцессоров (невронная сеть) для создания интегрированной системы.Такая система имеет на поверхности датчики напряжения сдвига, улавливающие локализованные вихри возмущений в нелинейной области пограничного слоя, встроенную невронную сеть для обработки сигналов в соответствии с алгоритмом распознавания образов и набор магнитных закрылков для уменьшения и управления вихрями. Этот подход может открыть новые горизонты для интерактивного управления течениями, но также ставит новые научные и инженерные задачи относительно распределенного управления, исследования усталостных свойств микромеханических частей и изучения явлений потока на микронном уровне. В то же время набор микроактиваторов способен контролировать макрообъект при условии существования подходящего механизма управления. Например, можно использовать линейный набор выдвижных линейных активаторов для создания вращающего момента на модели бесхвостового дельтовидного крыла применяя известный механизм из теории дельтовидного крыла, позволяющий микроактиваторам иметь усиленный макроэффект. Таким образом, теория гидродинамической устойчивости и экспериментальное моделирование в настоящее время являются мощными средствами в исследовании динамики жидкости и газа. Они позволяют выявить и исследовать наиболее сложные явления ламинарно-турбулентного перехода и являются основой для наиболее современных стратегий управления переходом. До сих пор способы управления для пристенных течений были сконцентрированы на пассивных подходах. Устройствами такого типа можно было пытаться подавить формирование или взаимодействие организованных структур в течении. Эти устройства играют пассивную роль в том смысле, что не существует цепи обратной связи для детектирования и манипулирования структурами в течении. Современные работы направлены на активное управление динамическими структурами для достижения задержки перехода или уменьшения поверхностного трения. Стратегия управления реализуется через цепь обратной связи при изменении структур в потоке. Микроэлектромеханические системы имеют дело с явлениями в специфическом микронном масштабе расстояний. Многие интересные научные проблемы необходимо понять в микромеханике сред. В частности, управляющие механизмы, включающие отношение масштабов длин, меняются и многие фундаментальные предположения оказываются под вопросом. Наиболее интересно то, что мы сможем осуществлять интерактивное управление в реальном времени фактически случайных событий и эксплуатировать явления за пределами разрешения традиционных устройств. ЛИТЕРАТУРА 1. Ландау Л.Д., ЛифшицЕ.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988.730с. 2. Качапов Ю.С., Козлов В. В., Левченко В.Я. Возникновение турбулентности в пограничном слое. Новосибирск: Наука, 1982. 151 с. 3. Kozlov V. К, Levchenko У. Ya. Laminar-Turbulent Transition Control by Localized Disturbances // Turbulence Management and Relaminarisation / Ed. H.W. Liepmann, R. Narasimha. B. etc.: Springer, 1988. P. 240-269. 4. Ho Ch.-M. Interaction between Fluid Dynamics and New Technology // Proc. 1 Conf. Interaction of Sci. and Art / Ed. N.W.M.Ко etal. Hong-Kong, 1994. P. 1-8. 5. Ho Ch.-M., Tai Yu-Ch. MEMS: Science and Technology //ASMEFED. 1994. Vol. 197. Application of Microfabri-cation to Fluid Mechanics. P. 39-48.
|
