PHYSICS OF FLOW STRUCTURES. FLOW SEPARATION
V. V. KOZLOV
Flow separation, one of fundamental phenomena of fluid mechanics, is considered. Influence of parameters modifying physical nature of the separation is described and significance of flow hydrodynamic instability for formation of separation type is demonstrated.
Рассмотрено одно из фундаментальных явлений механики жидкостей и газа — явление отрыва потока. Описано влияние некоторых факторов, изменяющих физическую структуру отрыва, и показана важность гидродинамической неустойчивости течения для формирования вида отрыва.
ОТРЫВ ПОТОКА
В. В. Козлов
Новосибирский государственный университет
ВВЕДЕНИЕ
Аэродинамические характеристики летательного и плавательного аппаратов определяются особенностями их обтекания — относительного движения окружающей среды (газа или жидкости). В их числе одно из фундаментальных явлений механики жидкости и газа — отрыв потока. Оно заключается в том, что при определенных условиях (например, неблагоприятном градиенте давления) среда вблизи обтекаемого тела перестает двигаться вдоль его поверхности и отходит от нее. В результате образуется область оторвавшегося течения или зона отрыва, появление которой сказывается на маневренности, управляемости и аэродинамической эффективности транспортного средства.
Особый интерес представляет отрывное обтекание несущих поверхностей — крыльев летательных и плавательных аппаратов. В зависимости от скорости движения, формы крыла и угла, под которым оно расположено относительно воздушного потока, называемого углом атаки крыла, поведение оторвавшегося течения различно. При отрыве стационарного маловозмущенного, ламинарного, течения оторвавшийся поток может вновь присоединиться к поверхности крыла. При этом возникает местная зона отрыва (отрывной пузырь), которая имеет небольшие размеры по сравнению с размерами самого крыла (рис. 1, а). В этом случае отрывная область на крыле существует в виде узкой полосы, вытянутой вдоль его размаха.
Положение отрывного пузыря на крыле зависит от угла атаки. При его увеличении зона отрыва сдвигается ближе к передней кромке крыла, в задней части которого возникает еще один отрыв нестационарного вихревого, турбулентного, течения. Его схема показана на рис. 1, б. При турбулентном отрыве не происходит повторного присоединения оторвавшегося потока к поверхности крыла и зона отрыва включает всю область течения от линии отрыва до задней кромки крыла.
При дальнейшем увеличении угла атаки и достижении им критического значения возникает отрыв потока с передней кромки, называемый также срывом, глобальным или полным отрывом, схема которого приведена на рис. 1, в. Срыв потока сопровождается резким снижением подъемной силы крыла, увеличением его сопротивления и приводит к неблагоприятным, вплоть до катастрофических, последствиям.
Рис. 1. Схемы отрывных течений над верхней поверхностью крыла: 1 — переход от ламинарного течения к турбулентному, 2 — зона ламинарного отрыва, 3 — область отрыва турбулентного течения, 4 — область срыва потока, 5 — вихри по концам крыла
Отрывное обтекание крыльев изучается на протяжении многих лет с целью совершенствования методов прогнозирования подобных течений и разработки способов целенаправленного воздействия на них, то есть управления отрывом потока. Простейшие физические модели отрыва предполагают двумерность течения, то есть его независимость от одной из пространственных координат (в данном случае вдоль передней кромки крыла). В результате исследований, проведенных в последнее время, стала очевидна ограниченность такой идеализации: при турбулентном отрыве и срыве потока с передней кромки в отрывной зоне образуются крупномасштабные вихри, расположенные вдоль размаха крыла, с которыми связано интенсивное движение газа в поперечном направлении. Существование таких вихрей принципиально изменяет физическую картину течения по сравнению с той, которая рассматривается в двумерных задачах отрыва потока.
Остановимся вначале на структуре локализованных отрывных пузырей, то есть на первом случае.
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЙ НА КРЫЛЬЯХ ПРИ БОЛЬШИХ УГЛАХ АТАКИ
Более десяти лет назад было установлено [3], что при отрыве потока на прямом крыле (имеющем прямоугольную форму в плане с передней кромкой, расположенной перпендикулярно направлению потока) в области отрыва возникают грибообразные структуры, каждая из которых представляет собой пару крупномасштабных вихрей, вращающихся в плоскости крыла в противоположные стороны. Трехмерная вихревая структура течения над поверхностью крыла показана на рис. 2, где приведены фотографии визуализаций обтекания при последовательном увеличении угла атаки экспериментальной модели; воздушный поток направлен на рисунке сверху вниз. При минимальном угле атаки, равном 9,1° (рис. 2, а), около передней кромки крыла отрывается ламинарное течение и возникает узкая (локальная) область отрыва, расположенная вдоль размаха модели. Ниже по потоку течение турбулентно, его новый отрыв происходит вблизи задней кромки крыла и сопровождается образованием вихрей — на фотографии зафиксированы пять хорошо различимых вихревых пар. С увеличением угла атаки их число уменьшается в результате слияния вихрей, а характерный масштаб растет. При угле атаки 12,3° (рис. 2, б) наблюдаются три вихревые пары, при 16,8° (рис. 2, в) — две, а при 18,4° (рис. 2, г) — только одна. Дальнейшее возрастание угла атаки приводит к радикальной перестройке режима обтекания крыла: вместо отрывного пузыря у передней кромки и последующего турбулентного отрыва возникает срыв потока (рис. 2, д). В этом режиме течения формирование отрывной зоны связано с развитием в оторвавшемся слое газа собственных колебаний, вызывающих его переход из ламинарного состояния в турбулентное, о чем шла речь в первой части, и срыв потока отличается по существу происходящих при этом физических явлений от отрыва турбулентного течения. Между тем для топологии отрывного течения также характерна пара вихрей, вращающихся в плоскости крыла. По сравнению со случаем турбулентного отрыва их фокусы меняют свое положение, сдвигаясь против направления потока.
Рис. 2. Влияние угла атаки на структуру течения в области турбулентного отрыва
Таким образом, реальное течение в отрывной области даже в тех геометрических условиях, которые можно считать близкими к двумерным, оказывается трехмерным и имеет сложную внутреннюю пространственную структуру. Полученные в эксперименте данные, аналогичные приведенным на рис. 2, позволяют установить ее зависимость от условий возникновения отрыва потока. Один из возможных механизмов образования трехмерных вихревых структур при двумерном отрыве потока был предложен несколько лет назад и заключается в следующем: при сходе потока с передней и задней кромок крыла образуются вихри, оси которых параллельны его размаху (рис. 3, а). Эта вихревая система неустойчива (не путать с гидродинамической неустойчивостью профиля средней скорости), вихри деформируются (рис. 3, б), происходит их перезамыкание, и в итоге появляются трехмерные структуры (рис. 3, в). Их «отпечаток» на поверхности крыла имеет грибообразную форму (рис. 3, г), наблюдаемую в эксперименте.
Рис. 3. Схема возникновения вихревых структур в области отрыва: 1 — оси вихрей, 2 — линия отрыва, 3 — линия присоединения
Структура течения в условиях управления срывом потока
Смысл управления отрывом потока сводится (следуя [4]) в большинстве случаев к его предотвращению либо уменьшению размеров отрывной зоны, для чего применяются методы, основанные на различных физических принципах. Требуемый результат управления может быть получен, в частности, искусственным перемешиванием газа вблизи обтекаемой поверхности (при ламинарном отрыве приведением оторвавшегося течения в турбулентное состояние), которое увеличивает сопротивляемость течения причинам, вызывающим отрыв потока. При срыве потока с передней кромки крыла для этого используются различные устройства — турбулизаторы, разметаемые на поверхности крыла вблизи линии отрыва, и возбуждение колебаний в пристенной области течения. В числе возможных способов генерации колебаний — облучение крыла акустическими волнами. Ниже изложены результаты, в которых показано, каким образом применение указанных выше способов управления срывом потока сказывается на пространственной структуре течения.
Воздействие акустических колебаний на отрывное обтекание крыла
Впервые предотвращение срыва потока с передней кромки крыла при возбуждении акустических колебаний проводилось в представлении о двумерности течения, и был установлен физический механизм воздействия колебаний на отрывное течение [5]. В результате данный способ управления достаточно хорошо изучен.
На рис. 4 изображены схемы течения вблизи поверхности крыла, полученные в последнее время. Возбуждение в потоке пространственно-однородного акустического поля от удаленного источника колебаний вызывает присоединение оторвавшегося течения. В результате срыв потока с передней кромки сменяется отрывом турбулентного течения ниже по потоку (рис. 4, а, б). При этом обтекание крыла остается симметричным относительно его центрального сечения и вихревая структура течения соответствует той, которая формируется при турбулентном отрыве (рис. 2, г). Другая ситуация возникает, когда крыло находится не в однородном, а в
Рис. 4. Схемы течения над верхней поверхностью модели прямого крыла при различных способах акустического воздействия
сфокусированном акустическом поле. В этом случае расположение вихрей в зоне отрыва зависит от того, какая область течения подвергается воздействию. Симметрия сохраняется, когда возбуждение приложено к центральной части крыла (рис. 4, б). Если же колебания сосредоточены на краю модели, они сказываются в зоне действия одного из вихрей и не оказывают влияния в области другого вихря (рис. 4, г). Эти данные приводят к выводу, что пространственная структура течения при акустическом воздействии и результат управления срывом потока непосредственно зависят от переноса газа в поперечном направлении, несмотря на то что акустическое возбуждение колебаний оторвавшегося слоя осуществляется вблизи передней кромки крыла, а крупномасштабное вихревое движение формируется ниже по потоку. Дальнейшее исследование этого явления представляется необходимым для построения его теоретической модели и оптимального практического использования рассмотренного метода управления отрывом.
Структура течения при глобальном отрыве в присутствии источников стационарных возмущений
Топология течения при глобальном отрыве потока на прямом крыле существенно изменяется при установке вблизи его передней кромки элементов неровности поверхности различной формы. Влияние на отрывное обтекание крыла простейших в геометрическом отношении элементов — точечного и линейного, расположенного вдоль передней кромки, выступов поверхности — показано на фотографиях и схемах, интерпретирующих результаты наблюдений (рис. 5).
Рис. 5. Влияние выступов на передней кромке на картину течения на поверхности модели при срыве: а — модель без выступов, б — модель с точечным выступом, в — модель с двумя длинными выступами
Картина течения с точечным выступом, помещенным в центральном сечении модели, изображена на рис. 5, б. Вихревая структура зоны отрыва заметно усложняется по сравнению со случаем обтекания гладкого крыла (рис. 5, я и 2, д). В следе за препятствием образуются два вихря, и течение на модели делится на две части справа и слева от выступа. В каждой из них наблюдается по паре вихрей, один из которых имеет фокус у края модели, а второй — около выступа. Результат установки на обтекаемой поверхности линейных выступов показан на рис. 5, в, выступы имели длину 1/3 размаха модели каждый и располагались по краям крыла. Не приводя в данных условиях к предотвращению срыва потока, они изменяют топологию течения в отрывной области. Область отрыва делится на три части. На каждой из неровностей происходит срыв потока, и на краях выступов образуются по паре вихрей. На гладком участке поверхности крыла между выступами сохраняется часть первоначальной срывной области, и возникает пара вихрей меньшего размера с фокусами вблизи передней кромки.
Приведенные выше результаты исследований показывают, что топология трехмерного течения в области глобального отрыва потока может быть существенно изменена стационарными возмущениями — элементами неровности поверхности малой высоты, которые индуцируют в отрывной зоне дополнительные вихревые образования. Особенности трехмерной структуры течения, в свою очередь, определяют эффект, получаемый при управлении срывом потока. В частности, в экспериментах было установлено, что при комбинированном использовании элементов неровности поверхности — турбулизаторов и акустических колебаний — может происходить не полное, то есть по всему размаху крыла, а частичное присоединение оторвавшегося течения на участках поверхности крыла между отдельными выступами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование отрывного обтекания крыльев представляет собой частную, хотя и весьма важную в практическом отношении задачу аэродинамики. Проблема отрыва потока как таковая значительно шире и включает изучение течений, возникающих в самых различных условиях. Уже получены свидетельства того, что сложный пространственный характер течения является неотъемлемым свойством областей отрыва, появляющихся и в других обстоятельствах: за острыми кромками обтекаемых тел, в окрестности уступов и выступов поверхности, на телах вращения и т. д. Дальнейшее изучение пространственных характеристик отрывных течений, вихревых структур, чувствительных к изменению условий обтекания и слабым внешним воздействиям, перспективное направление исследований, позволяющих получить более точные по сравнению с существующими представления о фундаментальных свойствах отрывных течений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Козлов В. В. Физические процессы в потоках // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №4. С. 83-90.
2. DovgalA.V., Kozlov V.V., Michalke A. Laminar Boundary-Layer Separation: Instability and Associated Phenomena //Progr. Aerospace Sci. 1994. Vol. 30. P. 61-94.
3. Бойко А.В., Довгаль А.В., Занин Б.Ю., Козлов В.В. Пространственная структура отрывных течений на крыловых профилях (обзор) //Теплофизика и аэромеханика. 1996. Т. 3, №1.С. 1-14.
4. Чжен П. Управление отрывом потока. М: Мир, 1979. 552 с.
5. Козлов В.В. Отрыв потока от передней кромки и влияние на него акустических возмущений // Прикл. механ. и техн. физика. 1985. №2. С. 112-115.
| 
