|
Юрий Кочетков, начальник отделения
ФГУП "Центр Келдыша", д.т.н.
На протяжении почти двух столетий
ученым приходится искать ответы на вопросы, связанные с турбулентностью.
Первыми столкнулись с ней инженеры, когда потребовалось создавать различные
механизмы, которые либо сами стали быстро перемещаться в некой среде
(например, автомобиль в воздухе или подводная лодка в воде), либо какое-то
вещество двигалось внутри механизма (пар в турбине). Инженерными методами
решить все вопросы не всегда удавалось, особенно когда скорости движения
возросли многократно. Сегодня разработка перспективных конструкций ракет,
самолетов и их двигателей (ЖРД, РДТТ, ГТД), а также различных энергетических
установок (плазмотронов, МГД-генераторов и пр.) без учета нюансов турбулентности
уже невозможна. Пришло время детального исследования турбулентности
в академических и отраслевых институтах.
Понятие
турбулентности связано с нарушением послойного течения и возможным пересечением
линий тока под воздействием положительных градиентов и сил вязкого трения,
обусловленных интенсификацией течения и резким изменением формы канала
(формой поля для плазмы). Многообразие причин, как физических так и
геометрических, формирует различные виды турбулентности. Элементарное,
на первый взгляд, течение газа вдоль плоской стенки происходит минимум
в трех режимах: ламинарное течение, течение в виде волн Толмина-Шлихтинга,
течение с образованием пятен Эмондса и т.д. Аналогичными примерами могут
служить режимы обтекания поперечного цилиндра (даламберовский режим,
режим парного вихря, дорожка Кармана и др.) и режимы течения в соплах
(см. журнал "Двигатель", № 6 (24) - 2002 г.). Все эти примеры
и многие другие, которые представлены в замечательном альбоме Ван-Дайка,
показывают, что турбулентное течение строго структурировано и в соответствии
с гипотезой академика Ландау представляет собой цепочку устойчивых течений,
последовательно изменяющихся при достижении критических значений. В
зависимости от формы канала или обтекаемого тела эта цепочка всегда
разная и может формироваться по различным сценариям. В практике экспериментальных
исследований немного методов, позволяющих достоверно определить полную
структуру турбулентного течения. Эти методы обладают существенными ограничениями
по возможностям фиксации мелкомасштабной тонкой структуры турбулентного
течения и быстроменяющихся (часто периодических) процессов. В связи
с этим появляются приборы типа термоанемометра, которые фиксируют статистические
параметры течения. В теории появляется понятие локальной пульсации потока,
а строгий аппарат математической физики заменяется статистическим, при
этом для замыкания системы уравнений также требуются статистические
модели турбулентности, основанные, как правило, на гипотезах.
К
сожалению, в настоящее время для точного описания турбулентных течений
одних экспериментальных данных не достаточно. Наблюдается "кризис
эмпиризма" в науке о турбулентности. Лишь ограниченное число систем
дифференциальных уравнений, таких как уравнения Навье-Стокса для ламинарных
течений, уравнение Кортевега Де Вриза для уединенных волн и некоторые
другие являются замкнутыми и подкреплены экспериментом.
Практическая газодинамика ракетных
и авиационных двигателей (ЖРД, РДТТ, ВРД, ПВРД) и газодинамика энергоустановок
(плазмотронов, МГД-генераторов и пр.) в настоящее время основаны на
применении инженерных высокоточных методов расчета интегральных параметров
турбулентности, что позволяет решать многие важные задачи промышленности.
Однако очень часто в процессе отработки перспективных конструкций приходится
возвращаться к нюансам турбулентности. Требуется постановка уникальных
экспериментов, связанных с исследованием структуры течения, и параллельное
решение сложных нелинейных систем уравнений математической физики. И
в том и в другом случае исследователей ждет успех. Возможность визуального
наблюдения турбулентности может дополняться удачными теоретическими
находками, такими как открытие солитонов, которые, как ни парадоксально,
талантливый английский инженер-кораблестроитель Дж. Скотт Рассел наблюдал
еще в 1845 году.
Одним
из методов, обеспечивающих наблюдение следов сложного турбулентного
течения вблизи стенок различных конструкций, является метод уноса массы
или метод горячей визуализации. Суть метода заключается в организации
условий, при которых высокоэнтальпийный поток оставляет след на исследуемой
уносимой поверхности (фторопласт-4, полиметилметакриллат и др.). Важным
аспектом при исследовании является кратковременность процесса, как следствие
этого обеспечивается "мгновенная фиксация".
Метод уноса массы может быть распространен
на различные конструкции и использован во многих инженерных дисциплинах
при исследовании вопросов турбулентности.
Так, например, при разработке перспективного
ЖРД встал вопрос об устойчивости горения продуктов сгорания в камере.
Исследовался процесс смесеобразования, тесно связанный с этой проблемой.
Для визуализации процесса устойчивости горения продуктов сгорания в
камере ЖРД в модели этого двигателя в качестве боковой стенки камеры
был установлен цилиндрический стакан из полиметилметакриллата. После
кратковременного пуска на стенке цилиндра отпечатались следы турбулентного
перемешивания струй от форсуночной головки. В результате экспериментов
удалось определить форму и интенсивность турбулентных струй окислителя
и горючего.
Известно,
что обтекание лопаток турбин часто сопровождается их эрозией и разрушением.
Методом уноса массы удалось получить картину турбулентного течения в
районе ступицы лопатки.
Вращающиеся высокоскоростные потоки
наблюдаются во многих энергоустановках. В области сверхзвуковой части
сопла можно видеть угловой сдвиг осей продольных борозд (следов парных
вихрей Тейлора-Гертлера), образующихся в направлении вращающегося движения.
Аналогичные картины наблюдались и в соплах РДТТ с закруткой потока.
В прямоугольных соплах МГД-генераторов
также реализуется трехмерная картина турбулентного течения. Были зафиксированы
следы течений, которые представляют собой систему сложных ромбовидных
узоров, сформировавшихся в результате пересечения системы косых скачков
уплотнения, последовательно отражающихся от противоположных стенок.
Приведенные иллюстрации, полученные методом уноса массы, показывают, что турбулентные течения имеют четкую структуру, зависят от многих факторов и обладают необходимой информативностью для исследования газодинамических процессов в двигателях. Поэтому актуальным становится дальнейшее развитие методов исследования параметров структуры турбулентных течений.
