Универсальный механизм порождения пристенной турбулентности и детерминированная турбулентность Текст научной статьи по специальности «Физика»

Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 653-655

УДК 532.517.3;532.517.4

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ПОРОЖДЕНИЯ ПРИСТЕННОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ

© 2011 г В.И. Бородулин, Ю.С. Качанов

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск

bo@itam.nsc.ru

Поступила в редакцию 16.05.2011

Представлены результаты недавних экспериментальных и численных исследований механизмов порождения турбулентности в переходных и турбулентных пристенных течениях. Обсуждается идея детерминированной (воспроизводимой) пристенной турбулентности и ее экспериментальная реализация. Приводится пример применения метода детерминированной турбулентности к исследованию механизма воздействия на турбулентный поток устройств разрушения крупных вихрей, известных как LEBU, приводящих к снижению вязкого трения на стенке.

Ключевые слова: пограничный слой, универсальный механизм порождения турбулентности, детерминированная турбулентность, механизм снижения турбулентного трения.

ханизм обратной связи, заключающийся в воздействии кольцевых вихрей на пристенную область через порождаемые ими мощные нисходящие струи. Прояснен вопрос о связи явлений выброса (ejection) и сметания (sweep), играющих ключевую роль в порождении пристенной турбулентности, с вихревыми структурами.

Эволюционный характер исследованных механизмов порождения турбулентности привел к идее о возможности существования детерминированной (воспроизводимой) пристенной турбулентности, то есть течения, осредненные характеристики которого соответствуют обычной турбулентности, но его мгновенная структура может быть многократно воспроизводима (в основном) от реализации к реализации при воспроизведении одинаковых начальных условий.

В отличие от широко известного понятия детерминированного хаоса (означающего возможность стохастического поведения динамических систем с малым числом степеней свободы, описываемых детерминированными законами), понятие детерминированной турбулентности имеет почти противоположный смысл и подразумевает возможность в основном детерминированного (т. е. воспроизводимого) поведения сложных физических систем, имеющих очень большое, практически бесконечное, число степеней свободы. Такое поведение настолько сложно, что традиционно воспринимается, как стохастическое, хотя на самом деле может быть воспроизводимым.

Эксперименты показали (см., например, [7]), что воспроизводимость (детерминированность)

Анализ результатов недавних исследований существенно нелинейных физических механизмов порождения турбулентности показал [1], что возникающие в сдвиговых пристенных потоках типичные вихревые структуры являются универсальными и весьма схожи в различных переходных и развитых турбулентных течениях, в частности в пограничных слоях (рис. 1а), каналах и трубах (рис. 1б) по расчетам [2, 3].

(а)

I)

Рис. 1

На основе экспериментальных и численных результатов, полученных в [4-6] и др. работах, создана концептуальная модель механизма порождения пристенной турбулентности, включающая в себя не только механизмы формирования Л-об-разных и кольцевых вихревых структур, но и ме-

даже очень сложного, турбулентного течения в пограничном слое действительно может быть достигнута (в основном) в постпереходном турбулентном пограничном слое (рис. 2) в случае, когда переход инициируется длинными реализациями волн неустойчивости, имеющими широкополосную компоненту частотно-волнового спектра.

детерминированной турбулентности в пограничном слое, в сравнении со структурой турбулентного течения в канале, рассчитанной в [9], показана на рис. 3. Ярким примером применения этого метода является исследование механизма воздействия на турбулентный поток устройств разрушения крупных вихрей, известных как ЬЕВИ [9].

Рис. 2

Мгновенное поле ’О пульсаций скорости в Г

ПЛОСКОСТИ 0’>0

Сечения одной из структур (N1),

в постпереходном турбулентном течени.

- * Л-сдрукцфд 1Г

Кцльцгаьи: внхрн

Расчёт турбулентного течения

Рис. 3

Многократно воспроизводимую мгновенную структуру такого турбулентного течения можно детально исследовать даже точечным датчиком (термоанемометра, например), что и было сделано в экспериментах, описанных в [7, 8] и других. Таким образом, был создан принципиально новый подход к исследованию турбулентных течений — метод детерминированной турбулентности.

Измерения в постпереходном турбулентном пограничном слое с помощью этого метода подтвердили выводы об универсальности механизма порождения турбулентности и показали хорошее качественное согласование с имеющимися результатами расчетов. Типичная форма одной из вихревых структур, измеренная в [7] методом

Метод позволил наглядно увидеть деформацию каждого конкретного турбулентного вихря в результате внешнего воздействия.

На рис. 4 изображены мгновенные поля возмущения продольной скорости турбулентного потока в виде сбоку (вверху) и в поперечном потоку сечении (внизу), измеренные в отсутствии ЬББи (слева) и в его присутствии (справа).

На основе исследования [9], а также новых знаний о природе процесса порождения пристенной турбулентности удалось прояснить физический механизм воздействия устройств ЬББИ на турбулентное течение, приводящего к существенному снижению вязкого трения на стенке и ослаблению интенсивности турбулентных пульсаций.

Рис. 4

Работа выполнена при поддержке РФФИ-ННИО, грант № 08-01-91951.

Список литературы

1. Kachanov YS. // X International Conference on Methods of Aerophysical Research. Proceedings. Part II. Novosibirsk: Inst. Theor. & Appl. Mech. 2000. P. 84-91.

2. Rist U., Müller K., Wagner S. // Proc. 8th International Symposium on Flow Visualization. Sorrento, Italy, September 1-4, 1998, paper No 103.

3. Reuter J., Rempfer D. Laminar-Turbulent transition / Ed. H. Fasel, W.S. Saric. Berlin: Springer, 2000. P. 383-390.

4. Borodulin VI. et al. // Theor. Comp. Fluid Dyn. 2002. V. 15. P. 317-337.

5. Borodulin VI., Kachanov Y.S., Roschektayev A.P // Journal of Turbulence. 2006. V 7, No 8. P. 1-30.

6. Guo H. et al. // J. Turbulence. 2010. V 11, No 34. P. 1 -51.

7. Borodulin VI., Kachanov Y.S., Roschektayev A.P // XIII International Conference on Methods of Aerophysical Research. Proceedings. Part I. Novosibirsk: Inst. Publ. House «Parallel», 2007. P. 46-52.

8. Borodulin VI., Kachanov Y.S., Roschektayev A.P // XIV International Conference on Methods of Aerophysical Research. Proceedings / Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk: ITAM SB RAS, 2008. 10 p.

9. Zhou J., Adrian R.J., Balachandar S., Kendal T.M. // J. Fluid Mech. 1999. V. 387. P 353-396.

THE UNIVERSAL MECHANISM OF PRODUCTION OF WALL TURBULENCE AND THE DETERMINISTIC TURBULENCE

V.I. Borodulin, Yu.S. Kachanov

The paper is based on the results of recent experimental and numerical investigations of mechanisms of turbulence production in transitional and turbulent wall-bounded flows. The evolutionary character of the mechanisms indicated above has resulted in the appearance of an idea about the possibility of existence of the deterministic (reproducible) wall turbulence that represents a flow An example of application of this method to study of a mechanism of influence of the LEBU- (Large-Eddy-Break-Up) devices on turbulent flows is given in the paper.

Keywords: boundary layer, universal mechanism of turbulence production, deterministic turbulence, mechanism of turbulence friction reduction.