Экспериментальное исследование пространственной структуры квазидвумерных турбулентных струй и следов в щелевых каналах

В диссертационной работе проведено комплексное экспериментальное исследование структуры течения при распространении турбулентной струи и турбулентного следа за цилиндром в щелевом канале с использованием высокоскоростной PLIF визуализации, высокоскоростного PIV метода, в том числе томографического PIV метода. Впервые обнаружено явление модуляции амплитуды меандрирования квазидвумерной турбулентной струи, которое обусловлено циклической сменой режимов течения, соответствующих варикозной и синусоидальной моде неустойчивости струи. Показано, что частота меандрирования уменьшается с ростом числа Re и качественно описывается зависимостью в виде: частота меандрирования пропорциональна безразмерной продольной координате в степени минус три вторых в широком диапазоне исследуемых параметров числа Re и отношения глубины канала и ширины сопла H/D. Наличие близкорасположенных ограничивающих стенок приводит к тому, что в квазидвумерной турбулентной струе закон затухания осевой скорости и закон расширения струи носят экспоненциальный характер и зависят от H/D и коэффициента трения cf. Временные одномерные энергетические спектры, измеренные в квазидвумерной турбулентной струе, демонстрируют наличие зависимостей, характерных для двумерной турбулентности. Впервые при помощи методики томографического PIV с высоким временным разрешением измерены пространственные трехкомпонентные распределения мгновенной и средней скорости в квазидвумерной турбулентной струе и турбулентном следе при обтекании цилиндра в щелевом канале с соотношением H/D <1. Впервые в дальнем поле квазидвумерной турбулентной струи зарегистрированы продольные структуры, с линейным масштабом, на порядки превышающим глубину канала. В ближнем поле струи и ближнем поле следа также зарегистрированы продольные структуры, являющиеся результатом взаимодействия сдвиговых крупномасштабных вихрей Кельвина-Гельмгольца с ограничивающими стенками канала. На основе рассчитанных временных спектров для каждой компоненты пульсаций скорости определены характерные безразмерные частоты распространения квазидвумерных крупномасштабных вихрей и продольных вихревых структур. Для изученных конфигураций течений продемонстрирована необходимость учета трехмерных эффектов, играющих существенную роль в процессах тепломассопереноса. Экспериментально подтверждено наличие локальных вторичных течений в ближнем поле квазидвумерной турбулентной струи. Показано, что при обтекании ограниченного цилиндра формируются два квадрупольных распределения продольной завихренности, соответствующие внешним и внутренним локальным вторичным течениям. Локальные вторичные течения для струи и обнаруженные впервые внутренние вторичные течения для следа являются следствием образования продольных вихревых структур в ближнем поле струи и следа. Определена область влияния локальных вторичных течений на осредненную структуру квазидвумерной турбулентной струи и следа.