Численное моделирование развития локализованных возмущений в сверхзвуковом пограничном слое
https://doi.org/10.25205/2541-9447-2025-20-1-9-19
Аннотация
Численно исследовано развитие локализованных возмущений в сверхзвуковом пограничном слое для числа Маха M = 2. Установлено, что скорость переднего фронта больше скорости заднего фронта, что согласуется с экспериментальными данными. В области переднего фронта возникают колебания по мере движения волнового пакета вниз по потоку, и их амплитуда растет во времени. Для сравнения результатов численного моделирования с классической теорией устойчивости волновой пакет раскладывался в спектр по частотам и волновым числам. Максимальный вклад в суммарное возмущение принадлежит волнам с углами наклона фронта волны к передней кромке пластины, равными примерно 60 градусам. Пространственные коэффициенты их усиления хорошо согласуются с данными теории устойчивости локально непараллельных течений. Соответствие ухудшается при меньших углах наклона из-за их малости относительно вклада волн с углами 60 градусов и нелинейного взаимодействия с волнами разных частот и наклонов.
Ключевые слова
сверхзвуковое течение,
пограничный слой,
гидродинамическая устойчивость,
ламинарно-турбулентный переход,
локализованные возмущения
При поддержке: Работа выполнена в рамках государственного задания ИТПМ СО РАН.
Об авторах
С. А. Гапонов
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН
Россия
Россия
Гапонов Сергей Александрович - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник
Новосибирск
А. Н. Семенов
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН
Россия
Россия
Семенов Александр Николаевич - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
Новосибирск
А. А. Яцких
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН
Россия
Россия
Яцких Алексей Анатольевич - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
Новосибирск
Список литературы
1. Emmons H. W. The laminar-turbulent transition in a boundary layer - part 1 // Journal of the Aerospace Sciences. 1951. Vol. 19. P. 490–498. DOI:10.2514/8.2010
2. Narasimha R. The laminar-turbulent transition zone in the boundary layer // Progress in Aerospace Sciences. 1985. Vol. 22. P. 29–80. DOI:10.1016/0376-0421(85)90004-1
3. Mitchner M. Propagation of turbulence from an instantaneous point disturbance // Journal of the Aeronautical Sciences. 1954. Vol. 21, No. 5. P. 350–351. (1954). Propagation of Turbulence from an Instantaneous Point Disturbance. Journal of the Aeronautical Sciences, 21(5), 350–351.
4. Schubauer G. B., Klebanoff P. S. Contributions to the mechanics of boundary-layer transition // NACA TN-3489. NACA. 1955.
5. Gaster M., Grant I. An Experimental Investigation of the formation and development of a wave packet in a laminar boundary layer // Proc. Roy. Soc. 1975. A 347. P. 253–269. DOI:10.1098/rspa.1975.0208
6. Gaster M. A theoretical model of a wave packet in the boundary layer on a flat plate // Proc. Roy. Soc. 1975. Vol. A347. P. 271–289. DOI: 10.1098/rspa.1975.0209
7. Riley J. J., Gad-el-Hak M. The dynamics of turbulent spots // In Frontiers in Fluid Mechanics, Springer. 1985. P. 123–155. DOI: 10.1088/1742-6596/318/3/032028.
8. EIder J. W. An experimental investigation of turbulent spots and breakdown to turbulence // J. Fluid Meeh. 1960. Vol. 9. P. 235–246.
9. CantweIl B., Coles D., Dimotakis P. Strueture and entrainment in the plane of symmetry of a turbulent Spot // J. Fluid Mech. 1978. Vol. 87. P. 641–672. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112060001079
10. Gad-el-Hak M., Blackwelder R. F., Riley, J. J. On the growth of turbulent regions in laminar boundary layers // J. Fluid Mech. 1981. Vol. 110. P. 73–95. DOI: https://doi.org/10.1017/S002211208100061X
11. Бойко А. В., Грек Г. Р., Довгаль А. В., Козлов В. В. Физические механизмы перехода к турбулентности в открытых течениях. НИЦ «РХД». 2006. 304 с.
12. Reddy S. C. and Henningson D. S. Energy growth in viscous channel flows // J. Fluid Mech. 1993. Vol. 252. P. 209–238. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112093003738
13. Grosch C. E., Salwen H. The continuous spectrum of the Orr-Sommerfeld equation, Part 1, The spectrum and the eigenfunctions // J. Fluid Mech. 1978. Vol. 87. P. 33–54. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112078002918
14. Grosch C. E., Salwen H. The continuous spectrum of the Orr-Sommerfeld equation, Part 2, Eigenfunction expansions // J. Fluid Mech. 1981. Vol. 104. P. 445–465.
15. Libby P. A., Fox H. Some perturbation solutions in laminar boundary layer theory. Part 1. The momentum equation // J. Fluid Mech. 1963. Vol. 17, No. 3. P. 433–449. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112081002991
16. Gaponov S. A. Quasi-resonance excitation of stationary disturbances in compressible boundary layers // International Journal of Mechanics. 2017. Vol. 11. P. 120–127.
17. James C. S. Observations of turbulent-burst geometry and growth in supersonic flow // NACA TN-4235. NACA. 1958. 19930085190.pdf
18. Krishnan L., Sandham N. D. Effect of Mach number on the structure of turbulent spots // J. Fluid Mech. 2006. Vol. 566. P. 225–234. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112006002412
19. Jewell J. S., Leyva I. A., Shepherd J. E. Turbulent spots in hypervelocity flow // Exp Fluids. 2017. 58:32. DOI: 10.1007/s00348-017-2317-y. DOI: 10.1007/s00348-017-2317-y
20. Yatskikh A. A., Ermolaev Y. G., Kosinov A. D., Semionov N. V. Hot-wire visualization of the evolution of localized wave packets in a supersonic flat-plate boundary layer // Journal of Visualization. 2017. Vol. 20, No. 3. P. 549–557. 10.1007/s12650-016-0414….
21. Krishnan L., Sandham N. D. Effect of Mach number on the structure of turbulent spots // J. Fluid Mech. 2006. Vol. 566. P. 225–234. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112006002412
22. Sivasubramanian J., Fasel H. F. Direct numerical simulation of a turbulent spot in a cone boundary layer at Mach 6 // AIAA Paper. 2010. 2010–4599. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2010-4599
23. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970. 904 с.
24. Dunn D. W., Lin C. C. On the stability of the laminar boundary layer in a compressible fluid // J. Aeronaut. Sci. 1955. Vol. 22, No. 7. P. 455–477. doi.org/10.1142/9789814415651_0005
Рецензия
Для цитирования:
Гапонов С.А., Семенов А.Н., Яцких А.А. Численное моделирование развития локализованных возмущений в сверхзвуковом пограничном слое. Сибирский физический журнал. 2025;20(1):9-19. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2025-20-1-9-19
For citation:
Gaponov S.A., Semenov A.N., Yatskikh A.A. Numerical Simulation of the Localized Perturbations Development in the Supersonic Boundary Layer. SIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS. 2025;20(1):9-19. (In Russ.) https://doi.org/10.25205/2541-9447-2025-20-1-9-19
Просмотров:
4
Послать статью по эл. почте 