Скорость обновления турбулентного газового потока в условиях гидродинамической нестационарности, методика определения

УДК 532

С. В. Юшко

СКОРОСТЬ ОБНОВЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА В УСЛОВИЯХ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ, МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Ключевые слова: кинематическая структура, турбулентный газовый поток, гидродинамическая нестационарность,

перестройка, время перестройки.

В работе по результаты экспериментальных исследований кинематической структуры турбулентного газового потока в условиях гидродинамической нестационарности подтвержден эффект перестройки турбулентности в пограничном слое потока. Определено время перестройки турбулентной структуры.

Keywords: kinematic structure, turbulent gas flow, hydrodynamic nonstationarity, restructuring, time of restructuring.

In this paper shown the results of experimental studies of the kinematic structure of turbulent gas flow in the hydrodynamic conditions of nonstationarity of the confirmed effect adjustment of turbulence in a boundary layer flow. Defined time restructuring turbulent structures.

В работах [1] и [2] было дано описание газодинамического стенда, а также методик проведения измерений кинематических

характеристик потоков жидкости и газа с помощью термоанемометра. Данный стенд позволял вести исследования потоков как в стационарных, так и в условиях гидродинамической нестационарности течения.

Известно, что пограничный слой образуется вследствие действия сил вязкости. В теории же турбулентного пограничного слоя существует даже понятие «турбулентная вязкость» [3, 4, 5], которая указывает на то, что формирование профиля осредненной скорости турбулентного потока во многом определяется его турбулентной структурой, которая также формируется под действием сил вязкости и внешних сил, обеспечивающих течение жидкости. Таким образом, можно предположить, что изменения турбулентной структуры течения под действием колебаний расхода оказывает соответствующее влияние на профиль осредненной по ансамблям реализаций скорости потока и соответственно на интегральные характеристики пограничного слоя.

Рис. 1 - К вопросу о методике определения скорости обновления турбулентности

Если проанализировать поведение

осредненного по ансамблям реализаций квадрата - <"' 2>

пульсационной скорости потока на

различных расстояниях от стенки канала (рис.1), можно отметить, что вблизи стенки колебания данной величины находились в одной фазе с колебаниями осредненной по ансамблям реализаций

скорости потока на оси канала. С удалением от стенки синфазность постепенно нарушалась.

На рис.1 представлено изменение ^ ^ по времени на расстоянии у/Я=0.002 и на оси канала. Для удобства восприятия сплошными линиями

("' О

показаны первые гармоники , определенные

разложением в ряд Фурье дискретного

Ы'Л = / (,) д. представления \ ' . - указывает на

фазовый сдвиг гармоник друг относительно друга.

Можно отметить, что турбулентность

реагировала на изменения расхода быстрее в

пристенной области - в области ее зарождения и

диссипации. Самая поздняя реакция прослеживалась

на оси канала.

Рис. 2 - Профиль скорости обновления турбулентности

Представленное поведение [6, 7]

напоминает отклик некоторой системы на возмущение. При этом отклик, зарождаясь в пристенной области, начинает распространяться к оси канала. Видимо под действием внешних факторов (изменение расхода), турбулентная структура потока начинает свою перестройку [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. Перестройка начинается у стенки и продолжается в направлении к оси канала.

Если отнести величину временного сдвига Д. I к расстоянию Я-у¡, можно получить скорость распространения возмущения или, что более физично - скорость обновления турбулентности на отрезке длиной Я-у.

По результатам проведенных исследований

на основании данных по изменению^во

времени были определены скорости обновления турбулентности на различных расстояниях от стенки канала. Так, на рис.2 представлен профиль скорости обновления турбулентности. По оси абсцисс отложена скорость обновления турбулентности отнесенная к скорости обновления на оси канала.

Интересно то, что профиль скорости нелинеен и то, что он одинаков (в пределах разброса экспериментальных данных) для исследованных частот наложенных колебаний расхода, а также значений температурного фактора. Подобный, но линейный профиль можно встретить в немногочисленных работах [15, 16]. В них же указывается, что именно наличие данного профиля и объясняет отличие интегральных характеристик турбулентного пограничного слоя, определенных в нестационарном потоке от своих

квазистационарных значений.

Здесь делается несколько иное предположение - скорость обновления турбулентности, представляя собой количественную оценку процесса обновления турбулентности [17, 18, 19], является причиной отличия в поведении интегральных характеристик турбулентного пограничного слоя потока, осложненного периодическими колебаниями расхода от их поведения в потоке с апериодическими колебаниями расхода. Таким образом, временной сдвиг, который был учтен при анализе интегральных характеристик пограничного слоя, представленном выше, является прямым следствием процесса обновления турбулентной структуры потока. В настоящем исследовании он составлял

М = м!т0 • Я = 0.67 • 0.025 = 0.0168 с.

Отличие же интегральных характеристик пограничного слоя от своих квазистационарных значений по-видимому можно объяснить с помощью теории передачи возмущений [20].

Литература

1. Юшко С.В. Газодинамический стенд для изучения воздушных потоков в трубах. Вестник Казан. технол. ун-та. -2013. - № 21. - С.125-127.

2. Юшко С.В. Особенности подготовки термоанемометра для измерения скорости турбулентного потока. Вестник Казан. технол. ун-та. -2013. - № 21. - С.136-138.

3. Абрамович Г.Н., «Прикладная газовая динамика», М.: Наука, 1969.

4. Фрост У., Моулден Т., «Турбулентность. Принципы и применения», М.: Мир, 1980.

5. Шлихтинг Г., «Теория пограничного слоя», М.: Наука, 1974

6. Taylor G.I., «Statistical theory of turbulence», Proc. of the Royal Society, series «a», vol. 151, № 873, 1935, pp. 421444.

7. Taylor G.I., «Turbulence in a contracting stream», ZAMM, vol. 15, 1935, pp. 91-96.

8. Клайн С., Рейнольдс У., Шрауб Ф., Ранстедлер П., «Структура турбулентных пограничных слоев», Механика жидкостей и газов, 1964, № 4, с. 41-78.

9. Клайн С., Рейнольдс У., Шрауб Ф., Ранстедлер П., «Структура турбулентных пограничных слоев», Механика жидкостей и газов, 1964, № 4, с. 41-78.

10. Batchelor G.K., Proudman I., «The effect of rapid distirtion of a fluid in turbulent motion», Quar. J. Mech. and Appl. Math., vol. 7, 1954, pp. 83-103.

11. Batchelor G.K., «The theory of homogeneous turbulemce», Cambridge U. press, 1970, pp. 69-75.

12. Burggraf O.R., «The compressibility transformation and turbulent boundary-layer equations», J. Aerospace Sci., 1962, № 29(4), pp. 434-439.

13. Cousteix J., Desopper A., Houdeville R., «Recherches sur les couches limites turbulentes instationnaires», Rech. Aerosp., 1977, 3, pp. 167-177.

14. Narayanan M.A.B., Ramjee V., «On the criteria for reverse transition in a two-dimensional boundary layers flows», J. Fluid Mech., vol. 35, 1969, № 2, pp. 225-241.

15. Григорьев М.М., «Микроструктура нестационарного турбулентного течения в трубе и ее влияние на процессы переноса», Дис. канд. техн. наук: 05.14.05, Казань, 1987, 215 с.

16. Carr L.W.A., «Review of unsteady turbulent boundary layer experiments», IUTAM Symp. Unsteady turb. shear flows, Toulose, France, May 5-8, 1981, p.5-34.

17. Брэдбери Л. Дж. С. и др., «Турбулентные сдвиговые течения», М.: Машиностроение, 1983.

18. Брэдшоу П., «Турбулентность», М.: Машиностроение, 1980.

19. Фрост У., Моулден Т., «Турбулентность. Принципы и применения», М.: Мир, 1980.

20. Попов Д.Н., «Об особенностях нестационарных потоков в трубах», Изв. вузов. Машиностроение, 1972, № 7, с. 78-82.

© С. В. Юшко - д-р техн. наук, зав. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, s.v.yushko@gmail.com.

© S. V. Yushko - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Engineering and Computer Graphics, KNRTU, s.v.yushko@gmail.com.