ТУРБУЛЕНТНОСТЬ. БИФУРКАЦИЯ. ОТРЫВ

Юрий Михайлович Кочетков, д.т.н.

Турбулентность в двигательных и энергетических установках тем интенсивнее, чем больше скорость и плотность потока, его характерный размер и обратная вязкость. При интенсификации потока повышается вероятность появления так называемых бифуркаций и отрыва пограничного слоя от стенки сопла с образованием вторичных течений, которые могут приводить к вибрациям конструкций и их разрушению.

Турбулентность, формирующаяся при обтекании тел, при течении в каналах и диффузорах, при смешении спутных и встречных потоков всегда сопровождается бифуркацией. Слово bifurcation (англ.) - раздвоение, используется при описании структуры турбулентных движений частиц жидкости, газа и плазмы. Любое усложнение течения, переход от одного устойчивого состояния к другому неминуемо приводит к пространственному, трехмерному течению. Даже абсолютно симметричные тела при их интенсивном движении относительно плотной, вязкой и теплопроводной среды находятся в условиях пространственной турбулентности. Обтекание шара (см. журнал "Двигатель" № 2, 2006) при достаточно больших числах Рейнольдса в области положительных градиентов давления сопровождается образованием продольно-вихревых структур Тейлора-Гертлера. Течение разбивается на парные, противоположно вращающиеся вихри - происходит локальная бифуркация потока. Аналогичная картина наблюдается и при обтекании поперечным потоком круглого цилиндра. Течение перед цилиндром всегда либо ламинарное, либо волновое (волны Толмина-Шлихтинга), так как оно происходит при отрицательном градиенте давления. При положительном градиенте давления (в области за миделевым сечением) в зависимости от уровня числа Рейнольдса реализуются либо парные вихри, либо дорожка Кармана. Принято считать, что после этого образуется развитая турбулентность. А это ничто иное, как область пространственных вихревых течений Тейлора-Гертлера, переходящих при нулевом градиенте в жгутовое течение (журнал "Двигатель" № 4, 2005). Более того, любое тело в потоке с положительным градиентом давления будет вызывать в нем бифуркацию. Необходимыми и достаточными условиями возникновения бифуркации являются: наличие положительного градиента давления в потоке; наличие зеркальной границы, т.е. точки, линии или области, относительно которой может происходить раздвоение (расслоение) потока.

В газовой динамике используют термин "линия растекания потока" (противоположная ей - линия стекания), который характеризует условия расхождения, бифуркацию. Пробор, предусмотренный в прическе румяной русской красавицы, - тоже своеобразная линия растекания, а ее длинная русая коса - линия стекания. В зависимости от условий течения на практике наблюдаются самые разнообразные зеркальные границы. Их форма, как правило, характеризует степень симметрии обтекаемого тела (см. журнал "Двигатель" № 6, 2005). В потоке, обтекающем шар, имеющий центральную сферическую симметрию, в области лобовой части возникает точка растекания, а при обтекании осесимметричного цилиндра - линия растекания в виде прямой. Если симметрия нарушается, то зеркальная граница бифуркации искривляется. Так, например, при обтекании крыла самолета в месте стыка его с фюзеляжем формируется сложная кривая линия растекания с изломом.

С понятием бифуркации тесным образом связано понятие отрыва потока. Классическая теория пограничного слоя, разработанная Прандтлем, Релеем и другими знаменитыми учеными первой половины двадцатого века, определяет отрыв потока как отрыв собственно пограничного слоя. При этом образуются возвратные и вихревые течения. Многочисленные исследования показывают, что в отрывной области возникает сложное турбулентное течение. При малых числах Рейнольдса методами фото- и киносъемки удается зафиксировать простые области отрыва: течение в прямоугольной каверне, течение в перерасширенном плоском сопле, обтекание тупого клина.

В большинстве случаев, особенно при обтекании осесимметричных пространственных объектов, не удается визуализировать структуру турбулентного потока в области так называемого отрыва пограничного слоя. Фотографии и киносъемка таких объектов не дают регулярных линий тока. Общая картина течения в месте отрыва получается смазанной, случайной и поэтому однородной в своей массе. Все это навело на мысль об использовании в качестве аппарата для исследований математической статистики, а в качестве инструментов для экспериментальных проверок - высокоточных термоанемометров.

В последующем структуру отрывной зоны все-таки научились определять. Методом уноса массы (горячей визуализации) были исследованы многочисленные пространственные зоны отрыва. Были исследованы области уступов, ступенек, каверн, впадин, пазов и стыков разнородных материалов. Исследованы особенности обтекания поворотных сопел, газодинамических рулей, областей вдува газа в поток, обтекание различных интерцепторов, задвижек, щитков и пр. Были определены структуры отрывных течений в каналах и соплах с контурами большой кривизны, с изломами и разрывами.

Метод горячей визуализации отрывных течений очень прост. Он основан на анализе следов горячего потока газа на уносимой поверхности исследуемого объекта. Газовый поток, как правило, создается высокоэнтальпийными источниками, такими как модельные ракетные двигатели (РДТТ, ЖРД и др.). Более универсальными и дешевыми для этих целей являются трехфазные плазмотроны. Очевидно, что при лобовом натекании на сферу формируется зеркальная граница в виде одной-единственной точки, которая переходит в процессе разгара в точку растекания для тел с промежуточной формой. До этой точки поток натекает на тело с положительным градиентом давления. Постепенно положительный градиент давления исчезает, и тело приобретает стабильную форму, а течение становится автомодельным.

Типичным примером бифуркации является течение вблизи поворотного управляющего сопла. Поворот сопла необходим для организации маневра ракеты. При повороте сопла относительно оси камеры сгорания его дозвуковая утопленная часть входит в так называемую наветренную область. При этом на наветренной стороне сопла реализуется положительный градиент давления. Поток, натекая на наветренную лобовую часть сопла, растекается в радиальном направлении относительно зеркальной границы. В данном случае обтекаемым телом является повернутый тор, который относительно потока несимметричен, а область растекания ограничена деформированным эллипсом.

Бифуркация наблюдается при вдуве газа в сверхзвуковой поток через клапаны управления вектором тяги сопла. Поскольку у корня струи вдува реализуется течение, подобное обтеканию поперечного цилиндра, то линией растекания является его образующая. Положительный градиент давления, сформированный перед цилиндрической струей вдува, приводит к бифуркации. Поток раздваивается.

При отрыве потока за уступом на сверхзвуковом модельном сопле РДТТ он отрывается от кольцевой кромки и далее присоединяется к полке уступа (положительный градиент давления). Нормальная составляющая скорости приводила к локальным бифуркациям потока. Течение в области отрыва перестраивалось в вихревое течение Тейлора-Гертлера. Продольные вихри равномерно располагались вдоль кольцевой поверхности полки уступа. Следы на унесенной поверхности соответствовали линиям стекания и растекания потока. Полученная картина течения в области отрыва за уступом является характерной. Она наблюдалась во всех других исследованных случаях: при течении в сопле с изломом и сильно искривленным контуром, при течении с внезапным расширением, в донных областях и др.

Результаты исследований бифуркаций и отрывов позволяют прогнозировать момент их наступления, а значит предсказывать критические ситуации, возникающие при работе энергодвигательных установок.