В гидродинамике процесс превращения ламинарного потока в турбулентный известен как ламинарно-турбулентный переход . Основным параметром, характеризующим переход, является число Рейнольдса .
Переходный период часто описывают как процесс, проходящий через серию этапов. «Переходный поток» может относиться к переходу в любом направлении, то есть к ламинарно-турбулентному переходному или турбулентно-ламинарному переходному потоку.
Этот процесс применим к любому потоку жидкости и чаще всего используется в контексте пограничных слоев .
История
В 1883 году Осборн Рейнольдс продемонстрировал переход к турбулентному потоку в классическом эксперименте, в котором он исследовал поведение потока воды при различных расходах, используя небольшую струю окрашенной воды, вводимую в центр потока в большей трубе.
Большая труба была стеклянной, так что можно было наблюдать за поведением слоя окрашенного потока, а на конце этой трубы был клапан регулирования потока, используемый для изменения скорости воды внутри трубы. Когда скорость была низкой, окрашенный слой оставался отчетливым по всей длине большой трубки. Когда скорость увеличивалась, слой разрушался в заданной точке и распространялся по поперечному сечению жидкости. Точка, в которой это произошло, была точкой перехода от ламинарного течения к турбулентному. Рейнольдс определил определяющий параметр начала этого эффекта, которым была безразмерная константа, позже названная числом Рейнольдса .
Рейнольдс обнаружил, что переход происходит между Re = 2000 и 13000, в зависимости от гладкости начальных условий. При особой осторожности переход может произойти даже при Re, достигающем 40000. С другой стороны, Re = 2000, по-видимому, является примерно самым низким значением, полученным при грубом входе. [1]
Публикации Рейнольдса по гидродинамике начались в начале 1870-х годов. Его последняя теоретическая модель, опубликованная в середине 1890-х годов, по-прежнему является стандартной математической структурой, используемой сегодня. Примеры названий из его самых революционных отчетов:
- Усовершенствования устройства для получения движущей силы от жидкостей, а также для подъема или нагнетания жидкостей (1875 г.)
- Экспериментальное исследование обстоятельств, определяющих, будет ли движение воды в параллельных каналах прямым или извилистым, и закона сопротивления в параллельных каналах (1883 г.)
- К динамической теории вязкой несжимаемой жидкости и определению критерия (1895 г.)
Этапы перехода в пограничном слое
Пограничный слой может переходить в турбулентность несколькими путями. Какой путь реализуется физически, зависит от начальных условий, таких как начальная амплитуда возмущения и шероховатость поверхности. Уровень понимания каждой фазы сильно различается: от почти полного понимания роста основного режима до почти полного отсутствия понимания механизмов обхода .
Восприимчивость
Начальная стадия естественного переходного процесса известна как фаза восприимчивости и состоит из преобразования возмущений окружающей среды - как акустических (звук), так и вихревых (турбулентность) - в небольшие возмущения в пограничном слое. Механизмы возникновения этих возмущений разнообразны и включают звук набегающего потока и / или турбулентность, взаимодействующие с кривизной поверхности, неоднородностями формы и шероховатостью поверхности. Эти начальные условия представляют собой небольшие, часто неизмеримые возмущения основного потока состояний. Отсюда рост (или затухание) этих нарушений зависит от природы нарушения и природы основного состояния. Акустические возмущения имеют тенденцию возбуждать двумерные неустойчивости, такие как волны Толлмина – Шлихтинга ( волны TS), в то время как вихревые возмущения имеют тенденцию приводить к развитию трехмерных явлений, таких как неустойчивость поперечного потока . [3]
Многочисленные эксперименты за последние десятилетия показали, что протяженность области усиления и, следовательно, расположение точки перехода на поверхности тела сильно зависит не только от амплитуды и / или спектра внешних возмущений, но и от их физической природы. . Некоторые возмущения легко проникают в пограничный слой, а другие - нет. Следовательно, концепция перехода пограничного слоя является сложной и до сих пор не имеет полного теоретического изложения.
Основной режим роста
Если первоначальное возмущение, вызванное окружающей средой, достаточно мало, следующей стадией переходного процесса будет стадия роста в основном режиме. На этом этапе начальные возмущения растут (или затухают) способом, описываемым теорией линейной устойчивости . [4] Специфические нестабильности, которые проявляются в действительности, зависят от геометрии проблемы, а также от природы и амплитуды начальных возмущений. В диапазоне чисел Рейнольдса в данной конфигурации потока наиболее усиленные моды могут и часто изменяются.
Существует несколько основных типов нестабильности, которые обычно возникают в пограничных слоях. В дозвуковых и ранних сверхзвуковых потоках преобладающими двумерными неустойчивостями являются волны ТШ. Для потоков, в которых развивается трехмерный пограничный слой, например, стреловидное крыло, неустойчивость поперечного потока становится важной. Для потоков, движущихся с вогнутой кривизной поверхности, вихри Гёртлера могут стать доминирующей неустойчивостью. Каждая нестабильность имеет свое собственное физическое происхождение и свой собственный набор стратегий управления, некоторые из которых противопоказаны другим нестабильностям, что усложняет управление ламинарно-турбулентным переходом.
Простой гармонический пограничный звук в физике перехода к турбулентности
Простой гармонический звук как фактор, способствующий внезапному переходу от ламинарного к турбулентному потоку, может быть приписан Элизабет Барретт Браунинг. В ее стихотворении «Аврора Ли» (1856) показано, как музыкальные ноты (звон определенного церковного колокола) вызывали колеблющуюся турбулентность в ранее устойчивом ламинарном пламени уличных фонарей («... газовые фонари дрожат на улицах и площадях». : Волосы 2016). Ее мгновенно получившее признание стихотворение могло привлечь внимание ученых (например, Leconte 1859) к влиянию простого гармонического (SH) звука как причины турбулентности. Современный шквал научного интереса к этому эффекту завершился тем, что сэр Джон Тиндалл (1867) пришел к выводу, что определенные звуки SH, направленные перпендикулярно потоку, имеют волны, которые смешиваются с аналогичными волнами SH, создаваемыми трением по границам трубок, усиливая их и запуская явление турбулентного потока с высоким сопротивлением. Его интерпретация вновь всплыла на поверхность более 100 лет спустя (Hamilton 2015).
Толлмин (1931) и Шлихтинг (1929) предположили, что трение (вязкость) вдоль гладкой плоской границы создает колебания пограничного слоя SH, которые постепенно увеличиваются по амплитуде до тех пор, пока не возникнет турбулентность. Хотя современные аэродинамические трубы не подтвердили теорию, Шубауэр и Скрамстад (1943) создали усовершенствованную аэродинамическую трубу, которая подавляла вибрации и звуки, которые могли влиять на исследования потока плоских пластин в аэродинамической трубе. Они подтвердили развитие длинных гребешковых колебаний ШМ - динамических поперечных волн перехода к турбулентности. Они показали, что специфические флаттерные колебания SH, электромагнитно индуцированные в ферромагнитную ленту BL, могут усиливать аналогичные индуцированные потоком волны флаттера SH BL (BLF), вызывая турбулентность при гораздо более низких расходах. Кроме того, некоторые другие специфические частоты мешали развитию волн SH BLF, сохраняя ламинарный поток до более высоких скоростей потока.
Колебание массы в жидкости - это вибрация, которая создает звуковую волну. Колебания SH BLF в пограничном слое жидкости вдоль плоской пластины должны производить звук SH, который отражается от границы, перпендикулярной пластинкам жидкости. На позднем этапе перехода Шубауэр и Скрамстад обнаружили очаги усиления колебаний ШМ, связанные со всплесками шума («турбулентные пятна»). Фокусное усиление поперечного звука при позднем переходе было связано с образованием вихря ШС.
Фокальный усиленный звук турбулентных пятен вдоль плоской пластины с высокоэнергетическими колебаниями молекул перпендикулярно пластинкам может внезапно вызвать локальное замораживание ламинарного скольжения. Внезапное торможение «замороженных» пятен жидкости передало бы сопротивление высокому сопротивлению на границе и могло бы объяснить непреодолимые вихри BL позднего перехода. Осборн Рейнольдс описал подобные турбулентные пятна при переходе потока воды в цилиндрах («вспышки турбулентности», 1883 г.).
Когда в момент возникновения турбулентности возникает множество случайных вихрей, общее замораживание ламинарного скольжения (ламинарное сцепление) связано с шумом и резким увеличением сопротивления потоку. Это также может объяснить параболический профиль изоворотности ламинарного потока, резко переходящий в сплющенный профиль турбулентного потока - поскольку ламинарное скольжение заменяется ламинарным блокированием при возникновении турбулентности (Hamilton 2015).
Вторичная нестабильность
Сами по себе первичные режимы на самом деле не приводят непосредственно к поломке, а вместо этого приводят к образованию вторичных механизмов нестабильности. По мере того, как основные моды растут и искажают средний поток, они начинают проявлять нелинейность, и линейная теория больше не применяется. Дело усложняется растущим искажением среднего потока, которое может привести к точкам перегиба в профиле скорости, что, как показал лорд Рэлей, указывает на абсолютную нестабильность в пограничном слое. Эти вторичные нестабильности быстро приводят к поломке. Эти вторичные нестабильности часто бывают намного более частыми, чем их линейные предвестники.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Fung, YC (1990). Биомеханика - движение, поток, стресс и рост . Нью-Йорк (США): Springer-Verlag . п. 569.
- ^ Морковин М.В., Решотко Е., Герберт Т. 1994. «Переход в системах с открытым потоком - переоценка». Бык. Являюсь. Phys. Soc. 39: 1882.
- ^ Saric WS, Reed HL, Kerschen EJ 2002. "Восприимчивость пограничного слоя к возмущениям набегающего потока". Анну. Rev. Fluid Mech. 34: 291–319.
- ^ Мак LM 1984. "Теория линейной устойчивости пограничного слоя". Представитель AGARD № 709 .
- ^ EB BROWNING, Аврора Ли, Чепмен и Холл, Книга 8, строки 44–48 (1857). DS HAIR, Fresh Strange Music - Язык Элизабет Барретт Браунинг, McGill-Queens University Press, Лондон, Онтарио, 214–217 (2015). Г. ХАМИЛТОН, Простые гармоники, Эйлмер Экспресс, Эйлмер, Онтарио (2015). J. LECONTE, Phil. Mag., 15, 235-239 (1859 Klasse, 181–208 (1933). REYNOLDS Phil. Trans. Roy. Soc., London 174, 935–998 (1883). W. TOLLMIEN, Über die Enstehung der Turbulenz. 1 . Mitteilung, Nachichten der Gesellschaft der Wissenshaften (1931). H. SCHLICHTING, Zur Enstehung der Turbulenz bei der Plattenströmung. Nachrichten der Gesellschaft der Wissenschaften - Enshaften zööniku Gissenschaften - Enshaften Gösenschaft der Wissenschaften - Enshaften zööniku Gissenschaften. ).