ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Переход ламинарной формы течения в турбулентную из "Аэродинамика решеток турбомашин " Все усилия, затраченные на расчет пограничного слоя, будут напрасными, если не удалось правильно рассчитать условия перехода от ламинарного течения к турбулентному. В таких расчетах следует принимать во внимание высокий уровень турбулентности в ядре потока, а также эффекты заданной неста-ционарности течения, акустические и пространственные возму-щен 1я, шероховатость и кривизну поверхности, если они имеют место. [c.208] Переход ламинарной формы течения в турбулентную является результатом наращивания возмущений в пограничном слое [7.28], часто на большой длине. В идеальном случае желательно было бы рассчитать нарастание этих возмущений вплоть до известного момента перехода. Однако это невозможно вследствие сложности сопутствующих физических явлений, неопределенности факторов, усиливающих возмущение в условиях различных градиентов давления, и упомянутых ранее внепгних возмущений. [c.209] В сущности, процесс перехода ламинарного течения в турбулентное — это процесс возникновения неустойчивости вследствие различных механизмов возмущений течения [7.29]. Некоторые из таких возмущений хорошо изучены и рассматриваются в рамках процессов линейного усиления явлений турбулентности. Другие менее изучены или являются следствием неудовлетворительных условий экспериментального исследования и неожиданным для исследователя образом способствуют процессу турбулизации. [c.209] Классическое исследование вязкостной неустойчивости ламинарного пограничного слоя было проведено Толмином [7.30]. Решение задачи на собственные значения уравнения возмущающего движения Орра—Зоммерфельда позволило получить характеристическую пальцеобразную нейтральную кривую, описанную в работе Шлихтинга [2.25]. В результате не менее классических экспериментов, проведенных в работе [7.31], было установлено, что при условии небольшой степени турбулентности потока в аэродинамической трубе можно воспроизвести всю нейтральную кривую и тем самым подтвердить достоверность модели Толмина—Шлихтинга. К сожалению, такой подход страдает тем недостатком, что не учитывается многое из физической картины течения, в том числе важные эффекты пространственности течения и их влияние на зарождение и развитие турбулентных пульсаций [7.32]. Естественно, этим проблемам впоследствии уделялось много внимания. [c.209] В работе [7.6] описывается современная трактовка физической картины перехода ламинарной формы течения в турбулентную, Сначала происходит образование плоских нестационарных волн Толмина—Шлихтинга, которые распространяются в направлении потока со скоростью, составляющей не менее 40 % от скорости течения. Эти волны затем начинают перемещаться по высоте проточной части, и таким образом развиваются эффекты пространственности течения. С этого момента происходят зарождение и концентрация пиков, впадин и интенсивных вихрей. Развиваются значительное смещение и перемешивание слоев жидкости, вихревые шнуры становятся прерывистыми. В местах максимальной интенсивности вихревого течения возникают локальные области турбулентности, которые разрастаются и сливаются в турбулентном потоке. [c.210] Одной из наиболее отработанных методик расчета ламинарно-турбулентного перехода является процедура с использованием эмпирической экспоненциальной зависимости нарастания неустойчивых возмущений в пограничном слое е ). В работе [7.33] проведено большое число экспериментов и с помощью линейной теории устойчивости подсчитан коэффициент усиления возмущений на гладкой поверхности при критическом числе Рейнольдса. Показано, что в большинстве случаев переход ламинарного течения в турбулентное происходит при коэффициенте усиления порядка е . [c.210] Экспоненциальный метод является довольно трудоемким, поскольку он требует оценки коэффициента усиления в каждой точке на линии тока. Более удобным средством, основанным на экспоненциальной зависимости е , является методика расчета с использованием соотношения между И и Кх, предложенная в работе [7.35]. К несчастью, она, как и экспоненциальный метод, не учитывает изменений шероховатости поверхности и степени турбулентности в ядре потока, а также не обеспечивает удовлетворительных результатов в случае положительных градиентов давления. [c.210] Влияние степени турбулентности в ядре потока на переход не поддается численному расчету. По этой причине большинство полезных данных по переходу применительно к потоку в турбомашинах получено экспериментальным путем. [c.210] Для того чтобы использовать закономерности типа кривой, полученной в работе [7.40], по расчетным или экспериментальным точкам строится зависимость от А, для развивающегося ламинарного пограничного слоя. Предполагая, что отрыв потока при ламинарной форме течения в пограничном слое (Я = ==—0,09) не происходит, можно теперь определить процесс перехода. Он начинается в том месте, где кривая зависимости / е от Лн пересекается с кривой, полученной в работе [7.40]. Случаю небольших величин степени турбулентности при обтекании гладких поверхностей этот критерий соответствует хорошо. Критерий перехода также будет вполне подходящим, если в качестве определяющего параметра выбрать степень турбулентности. [c.212] Поскольку в турбомашннах степень случайной турбулентности обычно превышает 4 % [2.27], а иногда бывает и существенно выше [2.34], очень важно, чтобы именно этот параметр был определяющим. В то время как для нулевого градиента давления существует множество различных надежных критериев перехода, в случае положительного или отрицательного градиента давления такие критерии отсутствуют. [c.212] Получение надежных экспериментальных данных по ламинарно-турбулентному переходу в пограничном слое при интенсивной турбулентности в ядре потока и различных градиентах давления является делом первостепенной важности для подтверждения теоретических расчетов. Такая ситуация не является исключительной, если рассматривать течение в решетках,, и отражает общее неудовлетворительное состояние дел, в котором находятся исследования критериев перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный. [c.215] В настоящей главе обсуждались эффекты изменения градиента давления в пограничном слое и степени турбулентности основного потока, но существуют еще и другие факторы, о которых не упоминалось. Масштабность, неизотропная и вынужденная нестационарность течения являются факторами, работа над. которыми пока еще находится на самой ранней стадии. Правда, в последнее время появились некоторые данные по исследованию влияния шероховатости поверхности [7.46], шума [7,47] и теплопередачи [7.48]. [c.215] При исследовании компрессорных направляющих решеток в работе [7,41] изучалось влияние волн разрежения и сжатия в потоке перед решеткой на явления перехода в пограничном слое на лопатках. В этом случае первостепенное значение имеет изменение места максимального разрежения на профиле лопатки. Это пример влияния внешней нестационарности течения,, которая будет рассмотрена в гл. 9. [c.215] Вернуться к основной статье