ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Период обновления подслоя в турбулентном пограничном слое из "Турбулентный пограничный слой" Экспериментальные исследования структуры течения в пристеночной области турбулентного пограничного слоя указывают на существование периодических процессов обновления подслоя. Частота / (или период Т) обновления подслоя регулирует процесс порождения турбулентности в пограничном слое и, следовательно, существенно влияет на интегральные характеристики пограничного слоя (поверхностное трение, тепловой поток). Период Т в среднем равен интервалу времени между двумя последовательными выбросами, фиксируемыми в заданной точке потока. [c.110] Численные значения параметров, определяющих среднестатистический период обновления подслоя, а также зависимость их от условий течения в пограничном слое определяются опытным путем. Однако имеющиеся в литературе опытные данные плохо согласуются между собой, что, в известной мере, обусловлено использованием в разных опытах разных экспериментальных методов определения Т. [c.110] Анализ показывает, что одним из наиболее простых и надежных по сравнению с другими известными методами является определение периода обновления подслоя по данным измерений энергетических спектров пульсаций скорости. [c.110] Ниже приводятся результаты проведенных в ЦАГИ опытов [2.7], в которых с этой целью измерялись энергетические спектры, преобразованные к виду, удобному для установления диапазона частот с наибольшим содержанием энергии турбулентности. [c.110] Измерения спектров проводились в турбулентном пограничном слое на разных расстояниях от обтекаемой поверхности при безградиентном течении (1р/(1х = 0) и при с1р/(1х ф 0. [c.110] 8] экспериментально показано, что максимум первого момента спектральной плотности пульсаций поверхностного трения /т4 (/) в турбулентном пограничном слое соответствует частоте обновления подслоя, действительное значение которой параллельно определялось по периоду между соседними максимумами автокорреляционной функции с коротким временем осреднения. В качестве иллюстрации на рис. 2.9 приведено сравнение полученных в опытах [2.8] примеров гистограммы, определенной по автокорреляционной функции с коротким временем осреднения (рис. 2.9а), и первого момента спектральной функции для тех же условий измерения (рис. 2.96). [c.111] Здесь АУУ — количество событий, приходящихся на частоту /, УУг — общее количество событий, — энергия пульсаций поверхностного трения, приходящаяся на частоту /, — полная энергия пульсаций трения. Как видно из рис. 2.9, частота обновления подслоя Д, определенная по автокорреляционной функции, практически совпадает с частотой /с, соответствующей максимуму первого момента спектральной функции. Отсюда следует, что частоту /с с большой долей уверенности можно считать равной частоте обновления подслоя. [c.111] В опытах [2.7] измерения проводились в полностью развитом турбулентном пограничном слое. Продольный градиент давления в пограничном слое создавался с помощью специального профилированного вкладыша, устанавливаемого на стенке рабочей части аэродинамической трубы. [c.111] Происхождение этих максимумов функции /Е /) = /и 2(/) в пристеночной области пограничного слоя можно объяснить на основании результатов исследований квазиупорядоченной структуры течения в этой области пограничного слоя, впервые начатых Клайном [2.9]. В соответствии с этими результатами основная доля энергии турбулентности порождается вблизи стенки во время периодических (в статистическом смысле) выбросов замедленной жидкости из пристеночной зоны во внешнюю зону пограничного слоя и вторжений ускоренной жидкости из внешней зоны в пристеночную. [c.113] Как показано в [2.8], частота этих выбросов в точности соответствует той частоте, при которой наблюдается максимум первого момента спектральной функции, т. е. величины /Е(/). Наличие двух максимумов на рис. 2.10 можно объяснить следующим образом. [c.113] В соответствии с моделью квазиупорядоченного течения в пристеночной области турбулентного пограничного слоя [2.10, 2.11] выбросы жидкости возникают в результате разрушения струек замедленной жидкости, расположенных периодически в поперечном направлении 2 (см. схему на рис. 2.11 а). При этом выбросы происходят не изолировано друг от друга, а в виде коррелированной по г совокупности процессов, в которой несколько выбросов наблюдаются одновременно на некотором участке обтекаемой поверхности. Среднее расстояние между соседними выбросами в поперечном направлении 2 соответствует величине А+ = Хиг/1 100, а в продольном направлении X (между двумя соседними рядами выбросов) — А + 500. [c.113] Существенная особенность рассматриваемой картины течения состоит в том, что в двух последовательных циклах выбросов, разделенных расстоянием Ах, зоны выбросов смещены по г на величину 0,5Аг, т. е. расположены на обтекаемой поверхности в шахматном порядке. Таким образом, если вблизи стенки расположен датчик, регистрирующий частоту выбросов, то измеряемая при этом частота /1 должна соответствовать расстоянию 2Хх между выбросами, происходящими вдоль одной линии тока, т. е. /1 = (/с/2Ах, где Ос — скорость конвекции выбросов относительно стенки. [c.113] Ввиду практической важности рассматриваемой модели упорядоченных движений вблизи стенки и обоснования спектрального закона Е(/) / в этой области пограничного слоя рассмотрим дополнительно независимое экспериментальное подтверждение этой модели. [c.114] Согласно общепринятому мнению струйки замедленной и ускоренной жидкости вблизи стенки образуются между парами продольно ориентированных противоположно вращающихся вихрей. При этом в зонах, где вертикальная составляющая скорости между вихрями направлена вверх, образуются струйки замедленной жидкости, а там, где вертикальная скорость направлена вниз, — зоны ускоренной жидкости. По данным [2.9] струйки замедленной жидкости, примыкающие к стенке, имеют относительно большую протяженность Ах, затем они начинают удаляться от стенки и, достигнув некоторого расстояния у от стенки, разрушаются, образуя выброс замедленной жидкости во внешнюю область течения. [c.115] Учитывая шахматный порядок расположения струек вдоль потока (рис. 2.11а), можно предположить, что при измерении А вблизи стенки (у+ 5) будут регистрироваться все подряд (по z) замедленные струйки, т. е. наиболее вероятное значение А в данном случае должно быть близко к 70. На некотором же расстоянии от стенки (у 30) более вероятным должно стать расстояние А между поднявшимися от стенки струйками из одного ряда шахматной структуры, расположенными не рядом, а через одну (см. рис. 2.11 о), т. е. Ag = 2А , что объясняет наличие двух максимумов гистограммы на рис. 2.11 в. [c.115] Таким образом, результаты опытов [2.12] являются независимым подтверждением модели течения вблизи стенки, схематически представленной на рис. 2.11 а. [c.115] С увеличением числа Ре в логарифмической зоне течения (у+ = 100-200) наблюдается тенденция к появлению в спектре третьего максимума, соответствующего частоте /3 /1 (рис.2.10б). Зна ние безразмерного периода Т3, найденное по частоте /3, приблизительно равно 80 (рис. 2.126). Наличие в спектре третьего максимума можно объяснить попарным слиянием вихрей, образующихся в процессе разрушения выбросов замедленной жидкости из пристеночной области, что приводит к увеличению наблюдаемого периода между выбросами. Как отмечается в [2.10], с ростом числа Рейнольдса условия для слияния вихрей в пограничном слое становятся все более благоприятными. [c.116] В практических измерениях при определении периода обновления подслоя Т в пристеночной области турбулентного пограничного слоя 30) представляется целесообразным вместо спектров пульсаций скорости использовать спектры пульсаций поверхностного трения [2.8], измеренные с помощью термоанемометрического датчика трения, установленного заподлицо с обтекаемой поверхностью. По сравнению с методом определения Т по спектрам пульсаций скорости использование спектров пульсаций трения имеет то преимущество, что исключается влияние возможных возмущений, вносимых в поток термоанемометрическим датчиком скорости. [c.116] При положительном градиенте давления значение Фт больше единицы, а при отрицательном — меньше единицы. Повышенный уровень пульсаций трения на обтекаемой стенке при А О свидетельствует о том, что в этих условиях процессы обновления подслоя протекают более интенсивно (и с большей частотой), чем при А 0. Подобным образом изменяются в зависимости от градиента давления и значения Фд и Фв, однако влияние продольного градиента давления на значение Фе проявляется более слабо, чем на значения Фд и Фг . [c.120] Вернуться к основной статье