ДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ – РАЗВИТИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
Автор: Юрий Семенович Качанов
Соавторы: В.И. Бородулин
Организация: Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН
Введённый нами около 15 лет назад термин «детерминированная турбулентность» (ДеТу) относится к постпереходному погранслойному течению, которое выглядит как турбулентное (в соответствии с общепринятой точкой зрения, хотя она и нечётко определена), но обладает сильной степенью детерминированности. Такой тип турбулентности может возникать в пограничных слоях, в которых переход вызван конвективными типами неустойчивости. Первая экспериментальная реализация ДеТу была осуществлена около двенадцати лет назад [1, 2]. Последующие эксперименты (выполненные в Новосибирске и Лондоне) подтвердили возможность реализации ДеТу и показали огромные методические возможности этого подходя для изучения, как свойств турбулентных потоков, так и результатов различных вешних воздействий на мгновенную структуру турбулентности. Однако ряд важных аспектов проблемы исследования ДеТу оставался долгое время не изученным.
В частности, не было однозначного ответа на основной вопрос. «Точно ли соответствует ДеТу обычной случайной турбулентности?» При положительном ответе на этот вопрос, статистические свойства ДеТу (такие, как профили средней скорости, профили амплитуд пульсаций, спектры пульсаций, и др.) не должны зависеть от конкретной мгновенной реализации детерминированного турбулентного потока. Этот аспект проблемы был недавно подробно исследован [3] и обсуждается в настоящем докладе. Другой важный вопрос – о степени детерминированности, т.е. многократной воспроизводимости, мгновенной структуры ДеТу оставался также открытым. Недавние исследования привели, в частности, к обнаружению удивительного свойства пристенной турбулентности – универсального экспоненциального нарастания некогерентных компонент течения [3, 4].
Обсуждению этих и других свойств ДеТу, а также демонстрации огромных возможностей метода ДеТу при исследовании пристенной турбулентности и посвящён данный обзорный доклад. В докладе представлены результаты анализа свойств вихревых структур, возникающих в экспериментах в двумерном, первоначально ламинарном, пограничном слое с умеренным неблагоприятным продольным градиентом статического давления. В одной серии измерений вихревые структуры, типичные для турбулентного пограничного слоя воспроизводились многократно путём точного воспроизведения начальных контролируемых возмущений – волн Толлмина-Шлихтинга (ТШ) широкого частотно-волнового спектра. Возникновение и эволюция этих структур, и постепенное нарастание степени невоспроизводимости их свойств, тщательно исследовано. В другой серии измерений подробно изучена степень воспроизводимости статистических характеристик ДеТу при изменении мгновенной структуры турбулентности, создаваемой путём варьирования начального частотно-волнового спектра волн ТШ, генерируемых в пограничном слое. В докладе также показано, как метод ДеТу позволяет изучать воздействие внешних факторов на мгновенную структуру пристенной турбулентности. Этот подход позволил прояснить механизм снижения вязкого терния на стенке при помощи устройств разрушения крупных вихрей (LEBU), изучавшихся в ряде предшествующих экспериментов. Несмотря на широкую известность этих устройств, механизм их воздействия на поток был окончательно выяснен только после применения метода ДеТу [5].
Работа поддержана Программой фундаментальных научных исследований Российских академий наук в 2013-2020 гг. (проект № AAAA-A17-117030610128-8).
1.Borodulin V.I., Kachanov Y.S. and Roschektayev A.P. The deterministic wall turbulence is possible // Advances in Turbulence XI. Proceedings of 11th EUROMECH European Turbulence Conference, June 25–28, 2007, Porto, Portugal / J.M.L.M. Palma and A. Silva Lopes, eds. – Heidelberg: Springer, 2007, pp. 176–178.
2. Borodulin V.I., Kachanov Y.S. and Roschektayev A.P. Experimental detection of deterministic turbulence // Journal of Turbulence. 2011. – Vol. 12, No 23. P. 1–34.
3.Borodulin V.I., Kachanov Y.S. On the reproducibility of instantaneous and statistical characteristics of the deterministic turbulence // Theoretical and Applied Mechanics Letters // 2014. – Vol. 4, 062004.
4. Borodulin V.I., Kachanov Y.S. Experimental Study of Reproducibility of Instantaneous Structure of the Deterministic Wall Turbulence // Proceedings of 8th Intl. Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena - TSFP-8. E.N.S.M.A. Poitiers, France, 2013,pp. 1-6.
5. V.I. Borodulin, Y.S. Kachanov, A.P. Roschektayev Application of the deterministic turbulence method to study of LEBU-device mechanism // Advances in Turbulence XII. Springer Proc. Phys. 132, Proc. 12th Eur. Turbulence Conf., September 7–10, 2009, Marburg, Germany / B. Eckhardt, ed. - Berlin: Springer, 2009, pp. 313–316.
