ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ СТАДИИ ЛАМИНАРНО-ТУРБУЛЕНТНОГО ПЕРЕХОДА ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
Автор: Наталья Владимировна Пальчековская
Организация: Московский физико-технический институт
Проведены исследования ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое на плоской пластине, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха при числах Маха M = 3 и Рейнольдса Re = 2·107 . Источником возмущений являлась медленная монохроматическая акустическая волна малой интенсивности под нулевым углом атаки, которая взаимодействует со слабым скачком уплотнения, обусловленным вязко-невязким взаимодействием на передней кромке пластины. С помощью линейной теории устойчивости были выбраны частота ω = 172.82 и передний угол β = 58° внешних акустических волн, которые возбуждают неустойчивые волны первой моды с примерно одинаковым максимальным интегральным коэффициентом усиления N≈9. Амплитуда акустической волны выбрана малой - ε=4·10-7, поэтому процесс восприимчивости является линейным с высокой степенью точности. Расчеты выполнялись с помощью оригинального пакета программ для решения нестационарных трехмерных уравнений Навье-Стокса [1], который позволяет проводить параллельные вычисления на супер-ЭВМ кластерного типа. В настоящей работе использовалась структурированная расчетная сетка с числом узлов ≈ 3.5·107.
Для верификации расчетных данных проводилось сравнение распределения нормированного возмущения давления вдоль поверхности пластины, полученное на основе прямого численного моделирования и линейной теории устойчивости [2]. В области восприимчивости вещественная часть фазовой скорости первой моды быстро сближается с фазовой скоростью медленной акустической волны, что приводит к резонансному режиму возбуждения. Ниже по потоку от области восприимчивости линейная теория устойчивости хорошо предсказывает рост амплитуды возмущения вплоть до сечения x ≈ 0.3. Далее начинается нелинейное насыщение первичной волны и ее нелинейный распад при x > 0.6. На относительно коротком участке нелинейного распада формируются мелкие вихревые структуры. Здесь амплитуда пульсаций в несколько раз больше, чем в слабонелинейной области.
Анализ расчетных данных прямого численного моделирования обтекания плоской пластины при наличии внешних акустических возмущений свидетельствует о присутствии основных признаков «косого» сценария [3] нелинейного распада ламинарно-турбулентного перехода. Данные полей возмущения продольной компоненты вектора скорости при y = 0.1δ (вид сверху), где δ – местная толщина пограничного слоя показанных на рис. 1, свидетельствует о наличии продольных структур в переходной части пограничного слоя.
