ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Возникновение турбулентности II (влияние градиента давления, отсасывания, сжимаемости, теплопередачи и шероховатости на переход ламинарной формы течения в турбулентную) из "Теория пограничного слоя " Еще до первых успехов теории устойчивости проблема перехода была очень тщательно исследована экспериментально Л. Шиллером [ ], главным образом для течения в трубе. Исследования Л. Шиллера привели к созданию полуэмпирической теории перехода, основанной на представлении, что как при течении в трубе, так и в пограничном слое переход ламинарной формы течения в турбулентную обусловливается в основном возмущениями конечной величины. В случае трубы эти возмущения возникают при входе в нее, в случае же пограничного слоя они с самого начала находятся во внешнем течении. Особенно широко это направление было развито теоретически Дж. И. Тэйлором [ ]. [c.439] Это простое определение степени турбулентности очень часто используется на практике даже в тех случаях, когда турбулентность не изотропная. [c.441] Измерения сопротивления шаров, выполненные в различных аэродинамических трубах, показывают, что критическое число Рейнольдса сильно зависит от степени турбулентности 8, а именно Рвкр возрастает при уменьшении 8 (см. рис. 18.10 на стр. 516). Для аэродинамических труб старых конструкций степень турбулентности составляет около 8 = 0,01. [c.441] Все измерения, о которых речь будет идти ниже, производились при степени турбулентности 8 = 0,0003. Скорость измерялась посредством термоанемометра и воспринималась катодным осциллографом. Сначала измерялось изменение скорости во времени в различных местах вдоль пластины при нормальном состоянии течения (естественные возмущения), а затем — при искусственно возбужденных возмущениях. Возбуждение искусственных возмущений определенной частоты производилось посредством колеблющейся металлической ленты, укрепленной на расстоянии 0,15 мм от стенки и приводившейся в колебательное движение при помощи электромагнита. [c.441] Металлическая лента, применявшаяся для создания искусственных колебаний, имела толщину 0,05 мм, ширину 2,5 мм и длину 30 см и была протянута на расстоянии 0,15 мм от стенки. Для возбуждения колебаний применялся переменный ток и магнитное поле. Таким путем удавалось создавать предусмотренные теорией двумерные возмущения с заданной частотой, следовательно, можно было по выбору получать нарастающие, затухающие и нейтральные колебания. Измерения производились, как уже было сказано, посредством термоанемометра. Результаты этих измерений изображены на рис. 16.18. Точки, отмеченные на рисунке кружочками, относятся к нейтральным колебаниям. Все эти точки хорошо располагаются вдоль одной кривой, вычерчённой штрихами. Для сравнения на рис. 16.18 перенесена с рис. 16.11 теоретическая нейтральная кривая. Результаты измерений весьма хорошо согласуются с теорией. [c.442] С целью еще более глубокого проникновения в механизм возмущающего движения для некоторых нейтральных колебаний было исследовано распределение амплитуды пульсаций и в направлении, перпендикулярном к стенке, на разных расстояниях от стенки (рис. 16.19). Нижняя кривая в каждой строке осциллограммы показывает колебания на постоянном расстоянии от стенки, а верхняя кривая — на переменном расстоянии, отмеченном слева от строки. Отчетливо видно, что с увеличением расстояния от стенки происходит постепенное смещение фаз обеих пульсаций до тех пор, пока на определенном расстоянии оно не достигает значения 180°. Это и есть скачок фазы на 180°, предсказанный теорией. Далее, на рис. 16.20 изображено распределение амплитуд пульсаций и по толщине пограничного слоя для двух нейтральных возмущений, отмеченных на рис. 16.11 цифрами / и //. И здесь согласование с теоретическими расчетами Г. Шлихтинга получилось очень хорошим. [c.442] Указанные разности чисел Рейнольдса отложены на рис. 16.21 как ординаты, а соответствующие значения степени турбулентности — как абсциссы. В такой системе координат как новые измерения Шубауэра и Скрэмстеда выполненные при очень малой степени турбулентности, так и более старые измерения Холла и Хислопа, выполненные при более высоких степенях турбулентности, очень хорошо ложатся на одну кривую. Из графика видно, что только при большой степени турбулентности, равной приблизительно 0 0,02 Ч- 0,03, точка перехода почти совпадает с нейтральной точкой. [c.444] Недавно Ф. К. Вортман произвел измерения пограничного слоя на плоской пластине в воде, в которую вводилась соль теллура. Полученные им результаты блестяще подтвердили теорию устойчивости. [c.444] Описанные в этом параграфе экспериментальные исследования столь блестяще подтвердили теорию устойчивости ламинарного течения, что ее следует считать полностью проверенной составной частью гидроаэромеханики. Таким образом, предположение Рейнольдса о том, что причиной перехода ламинарной формы течения в турбулентную является неустойчивость ламинарного течения, можно считать окончательно доказанным. Эта неустойчивость представляет собой теоретически возможный и экспериментально наблюдаемый механизм перехода ламинарного течения в турбулентное. Однако остается открытым следующий вопрос является ли этот механизм единственным и дает ли он полную картину перехода ламинарного течения в турбулентное. В последнее время этот вопрос стал предметом внимания многих исследователей. Желающих ознакомиться с кругом возникших при этом проблем отсылаем к сводному обзору М. В. Морковина [Щ. [c.446] Трехмерные течения. Рассмотренные выше экспериментальные исследования показывают, что переход ламинарного течения в турбулентное вызывается нарастанием неустойчивых двумерных возмущений. Нарастание таких возмущений было детально исследовано Г. Б. Шубауэром и Г. К. Скрэм-стедом [ ], Г. Б. Шубауэром и П. С. Клебановым [ ], а также И. Тани При этом выяснилось, что нарастание неустойчивых волн ведет к явно выраженной трехмерной структуре течения. После того, как амплитуда волн достигает определенного значения, начинается сильное нелинейное нарастание возмущений. При этом возникает перенос энергии в поперечном направлении, что приводит к искажению первоначально двумерного основного течения. Таким образом, разрушение ламинарного течения и возникновение турбулентности представляют собой следствие трехмерного развития неустойчивых возмущений. При этом возникают вихри с продольно направленными осями, расположенные частично в пограничном слое. [c.446] Предварительные замечания. Результаты, изложенные в главе XVI,. в принципе доказали пригодность теории устойчивости, основанной на методе-малых колебаний, для исследования перехода ламинарного течения в турбулентное. Это дает основание ожидать, что при помощи этой теории можно выяснить, какие другие параметры, кроме рассматривавшегося до сих пор числа Рейнольдса, существенно влияют на переход ламинарного течения в турбулентное. В 2 главы XVI уже было коротко сказано, что градиент давления внешнего течения оказывает очень большое влияние на устойчивость пограничного слоя, а тем самым и на переход течения в пограничном слое на обтекаемом теле из ламинарной формы в турбулентную. А именно, падение давления стабилизует пограничный слой, а повышение давления, наоборот, понижает устойчивость пограничного слоя. [c.450] Активные силы, например центробежная сила при криволинейном течении и гидростатическая подъемная сила в течении с переменной в вертикальном направлении плотностью, также очень сильно влияют на переход ламинарного течения в турбулентное. [c.450] В последние годы приобрели интерес вопросы воздействия на течение в пограничном слое посредством отсасывания или сдувания обтекающей среды и влияния этого воздействия на переход течения из ламинарной формы в турбулентную (см. главу XIV). Отсасывание повышает, а сдувание, наоборот понижает устойчивость пограничного слоя. [c.450] Далее выяснилось, что при течениях с очень большой скоростью, когда текущую среду следует рассматривать как сжимаемую, подвод или отвод тепла через обтекаемую стенку (нагревание или охлаждение) оказывает большое влияние на переход ламинарного течения в турбулентное. Передача тепла от течения к стенке значительно стабилизует пограничный слой, передача же тепла от стенки течению, наоборот, сильно понижает устойчивость пограничного слоя. [c.450] Большое практическое значение имеют также проблемы, связанные с влиянием шероховатости на переход ламинарной формы течения в турбулентную. [c.450] Обзор всех перечисленных разнообразных проблем будет дан в этой главе. Начнем с рассмотрения влияния градиента давления, поскольку оно имеет особо важное значение для практических приложений. [c.450] Вернуться к основной статье