ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ В ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ЗАТОПЛЕННОЙ СТРУЕ
Автор: Олег Олегович Иванов
Соавторы: Ю.С. Зайко, А.Д. Чичерина, В.В. Трифонов, А.И. Решмин, В.В. Веденеев
Организация: НИИ механики МГУ
Было создано компактное устройство, формирующее воздушную струю диаметром 0.12 м, которая остается ламинарной на расстоянии 5.5 диаметров от выхода из формирующего устройства при числах Рейнольдса около 10000 [1].
Первым этапом настоящей работы является теоретическое исследование развития малых возмущений в струе с профилями скорости, соответствующими экспериментальным в начальном сечении струи и нескольких сечениях, близких к началу струи. Пространственный анализ устойчивости показал, что существует две ветви растущих возмущений: первая ветвь порождается точками перегиба на профилях скорости, расположенными вблизи границы струи; вторая — точкой перегиба, расположенной недалеко от оси струи. При этом скорости роста возмущений, соответствующих первой ветви, значительно больше скоростей роста возмущений, соответствующих второй ветви. Однако, с удалением от выхода из формирующего устройства, возмущения, соответствующие первой ветви, становятся затухающими (происходит слияние двух точек перегиба на профиле скорости в одну). Тогда неустойчивость продолжает порождаться только второй ветвью. Диапазон частот растущих возмущений для обеих ветвей одинаков и соответствует частотам 0…14 Гц. Частоты наиболее быстро растущих возмущений для обеих ветвей также лежат в одинаковом интервале — от 4 до 6 Гц.
Достаточно большой диаметр и длинный ламинарный участок струи, создаваемой экспериментально, позволяют детально измерять характеристики течения и визуализировать его. Были проведены эксперименты по внесению в струю возмущений посредствам колеблющейся с заданной частотой и фиксированной амплитудой проволоки. Визуализация течения показала, что при частотах, соответствующих теоретически полученному диапазону наиболее быстро растущих возмущений, струя разрушается ближе к выходу из формирующего устройства, чем при воздействии на струю возмущениями с частотами вне указанного диапазона. Были вычислены длины волн, возникающих в струе под воздействием возмущений, вызываемых колеблющейся проволокой. Эти длины волн хорошо коррелируют с длинами волн, полученными теоретически.
Исследование является первым шагом в экспериментальном изучении развития неустойчивости в затопленной струе круглого поперечного сечения и сравнении результатов с предсказаниями модальной теории устойчивости.
Работа поддержана РФФИ, проект №18-38-00745.
На рисунке - Схема устройства для внесения возмущений в струю и системы визуализации потока. Фотографии струи под воздействием возмущений с частотами 5 и 10 Гц.
[1] J. Zayko, S. Teplovodskii, A. Chicherina, V. Vedeneev, and A. Reshmin. Formation of free round jets with long laminar regions at large Reynolds numbers. 2018. Physics of Fluids, 30, 043603.
