кнопка поиска  |   Ru  |  En

 Ламинарно-турбулентный переход при отрыве потока за препятствиями в каналах

на стационарном и пульсирующем режимах течения

Видеоролики визуализации можно посмотреть здесь

Структура течения за выступом на стационарном режиме течения

Анализ результатов визуализации показал следующее. При числе Рейнольдса ReН=390 течение в отрывной области за выступом остается ламинарным. Тем не менее, видно, что струйка дыма, разделяющая отрывную область и основной невозмущенный поток, на некотором расстоянии от выступа имеет области периодического изменения интенсивности (на данном режиме еще очень слабого) (рис.1).

Рис.1. Визуализация обтекания полуцилиндрического выступа при ReH=390: а – в вертикальной плоскости на оси канала; b – в горизонтальной плоскости на расстоянии  у = 1 мм от нижней стенки

При повышении числа Рейнольдса изменения интенсивности струйки по времени в области присоединения потока становятся более выраженными, что можно трактовать как нарастание возмущений в оторвавшемся сдвиговом слое. При ReН=1115 по визуализационным картинам можно определить частоту формирования возмущений, которая составляет приблизительно  12-16 Гц. Образования поперечных вихрей на этом режиме еще не происходит.

При увеличении числа Рейнольдса до ReH=1298 хорошо видно, что на некотором расстоянии от выступа в слое смешения начинается формирование поперечных вихревых структур (рис.2). Частота образования вихрей, определенная по данным визуализации потока, составляет приблизительно 33-36 Гц.

Рис.2. Визуализация обтекания полуцилиндрического выступа при ReH=1298: а – в вертикальной плоскости на оси канала; b – в горизонтальной плоскости на расстоянии  у = 1 мм от нижней стенки

С дальнейшим ростом числа Рейнольдса частота периодического образования поперечных вихрей возрастает и составляет 48 Гц (ReH=1553), 53 Гц (ReH=1764), 64-67 Гц (ReH=2134) и 135 Гц (ReH=2500). Далее она остается приблизительно постоянной. Область начала формирования вихревых структур при этом смещается в сторону выступа (рис.3).

Рис.3. Визуализация обтекания полуцилиндрического выступа при ReH=2500: а – в вертикальной плоскости на оси канала; b – в горизонтальной плоскости на расстоянии  у = 1 мм от нижней стенки

Результаты визуальных исследований показали, что определяющую роль в инициировании ламинарно-турбулентного перехода в области отрыва потока за выступом в канале играет спиралевидное движение жидкости от боковых стенок канала к плоскости симметрии, которое формирует угловые вихри в области соединения выступа с боковыми стенками канала. На картинах визуализации в плоскости x0z, эти вихри наблюдается на всех исследуемых режимах течения (рис.4). Часть жидкости, вовлеченной в спиралевидное движение, не достигает центральной области канала, и вместе с внешним потоком формирует продольные вихревые структуры. Другая часть жидкости, двигаясь по спирали, поступает в рециркуляционную область вблизи плоскости симметрии канала.

Рис.4. Картины течения в плоскости x0z за выступом на расстоянии 1 мм от стенки: а – ReH = 903 (Reh = 135); b – ReH = 1553 (Reh = = 233)

При достижении критического числа Рейнольдса ReHкр » 1300 в окрестности плоскости симметрии канала начинают формироваться крупномасштабные вихревые структуры, которые отображаются в плоскости x0y в форме поперечных вихрей (рис.5,а), а в плоскости x0z на расстоянии 3 мм от стенки – в форме вихревых сгустков, локализованных вблизи плоскости симметрии канала (рис.5, b). Эти сгустки периодически выбрасываются во внешний поток с частотой f, которая растет при увеличении числа Рейнольдса.

Рис.5. Формирование вихревых структур за выступом при ReH = 1553: а – в плоскости x0y; b – в плоскости x0z на расстоянии 3 мм от стенки

С ростом числа Рейнольдса масштаб угловых вихрей уменьшается, зона начала формирования вихревых сгустков смещается в сторону выступа, а  занимаемая ими область расширяется по трансверсальной координате. Процесс сопровождается дроблением крупных вихрей на более мелкие вихревые структуры, усиливаются пульсации потока, течение в следе за препятствием ниже линии присоединения приобретает черты турбулентного режима.

Таким образом, механизм формирования крупномасштабных вихревых структур в слое смешения за выступом в канале при переходе к турбулентности можно представить следующим образом. При отрыве потока над рециркуляционной областью формируется неблагоприятный градиент давления. Интенсивность возвратного движения жидкости максимальна в окрестности плоскости симметрии канала из-за спиралевидного течения от боковых стенок к центру. При низких числах Рейнольдса энергия циркуляции жидкости в замкнутой отрывной области затрачивается на работу вязких сил на внешней границе этой области и работу сил трения на стенке; течение на границе и внутри рециркуляционной области устойчиво, отрывная область замкнута, вихри не образуются. При увеличении ReH выше ReHкр вязкие силы не в состоянии отвести поступающую из внешнего потока и накапливающуюся в отрывной зоне за препятствием энергию циркуляции жидкости, течение теряет устойчивость, образуются когерентные вихревые образования (сгустки) возрастающей интенсивности. Периодически они выносятся из рециркуляционной области во внешний поток. Сразу после схода вихря в отрывной зоне увеличивается разрежение, ее длина сокращается, и в эту область поступают новые порции жидкости от стенки и из внешнего потока. Далее процесс повторяется.

Для подтверждения определяющей роли спиралевидного движения жидкости в развитии ламинарно-турбулентного перехода выполнена серия визуальных исследований обтекания выступа в канале шириной B/2 = 25 мм. Результаты визуализации показали, что при уменьшении ширины канала в два раза критические число Рейнольдса, при котором за выступом начинают формироваться крупномасштабные вихревые структуры, снижается с ReDг = 1860 (ReH » 1300) для канала шириной В до ReDг = 1220 (ReH » 1100), а признаки потери устойчивости сдвигового слоя наблюдаются уже при ReDг » 900, что соответствует  ReH » 800 (рис.6).

Рис.6. Формирование вихревых структур за выступом в канале шириной B/2 = 25 мм:  а – ReDг = 900 (ReH = 800) в плоскости x0y; b – ReDг = 1220 (ReH » 1100) в плоскости x0y; c –  то же в плоскости x0z на расстоянии 3 мм от стенки

Cтруктура течения при воздействии наложенной нестационарностью

Экспериментальная оценка влияния наложенных пульсаций потока на структуру обтекания препятствий в канале на режимах перехода к турбулентности проводилась в рамках настоящего этапа при постоянном значении относительной амплитуды пульсаций, равной b = 0,15. Здесь b - отношение амплитуды пульсаций скорости потока к ее среднему значению. В результате экспериментальных исследований установлено, что при такой амплитуде пульсаций под действием наложенной нестационарности структура течения за выступом, присущая стационарному потоку, в значительной степени нарушается. В фазе ускорения потока за выступом формируются разгонные вихри, которые в фазе торможения перемещаются от стенки, на которой установлен выступ, к оси канала, а затем сносятся внешним потоком (рис.7). Наибольшая интенсивность «разгонных» вихрей достигается в области  частот наложенных пульсаций, приблизительно соответствующих частоте схода вихрей на стационарном режиме. Формирование «разгонных»  вихрей происходит и на режимах, на которых в стационарном потоке образование крупномасштабных вихревых структур еще не наблюдается (при числах Рейнольдса ReH<1300).

Рис.7. Формирование разгонных вихрей за выступом при ReН = 1300, = 35 Гц: а – в плоскости симметрии канала; b – на расстоянии 3 мм от стенки, на которой расположен выступ

Воздействие наложенной нестационарности существенно расширяет область формирования вихревых структур по ширине канала и увеличивает количество вихрей по ширине канала по сравнению с соответствующими стационарными режимами течения. Ее воздействие зависит и от числа Рейнольдса. Так, при увеличении частоты наложенных пульсаций при ReН < 900…1000 масштаб «разгонных» вихрей уменьшается и за выступом формируется квазистационарная рециркуляционная область, на внешней границе которой наблюдается конвективный перенос мелкомасштабных вихрей, формирование которых происходит с частотой наложенных пульсаций (рис.8). В области присоединения потока эти вихри могут объединяться в крупномасштабные вихревые структуры.