Теоретическая разработка фундаментальных проблем турбулентного пограничного слоя и практическое использование этих результатов в энергетическом машиностроении

В результате детального анализа научных основ, положенных в основу решения задачи о форме профиля скорости в турбулентном пограничном слое, было показано, что широко используемый в научной литературе логарифмический профиль скорости не соответствует реальной картине течения. Для доказательства этого утверждения были выполнены преобразования, позволившие провести переход от полулогарифмических координат к обычным физическим координатам, где аргументом является безразмерное расстояние от обтекаемой поверхности, а функцией - безразмерная скорость, соответствующая указанному безразмерному аргументу. В этих координатах были перестроены три логарифмических профиля скорости, относящихся к трем разным числам Рейнольдса. Здесь же приведен обычный степенной профиль, соответствующий опытным данным при числе Рейнольдса, равном 10⁵. Наглядно видно, что ничего общего с реальной картиной логарифмические профили скорости не имеют, так как на внешней границе пограничного слоя они не удовлетворяют ни одному из двух естественных граничных условий. Совпадение же этих профилей с опытными данными в используемых полулогарифмических координатах является следствием сформулированной аксиомы. Во всех случаях, когда вместо аргумента используется функция от этого аргумента, опытные точки будут располагаться вдоль некоторой прямой. Совпадающие при этом опытные точки, полученные при разных условиях (в данном случае при разных числах Рейнольдса) будут относится к разным сечениям пограничного слоя. Естественно информационной ценности такое сравнение с опытом не имеет. Этот результат неизбежно влечет за собой и необходимость пересмотра гипотезы о существовании в турбулентном пограничном слое некоего ламинарного подслоя. Показано, что эта гипотеза, введенная для придания физического смысла логарифмическому профилю скорости, не имеет физического обоснования, так как противоречит как природе возникновения турбулентности, так и прямым опытным данным, на что ранее (в 1950-е - 1960-е гг.) указывали А.П. Мельников и Л.Д. Ландау. Однако сама идея о создании между турбулентным пограничным слоем и обтекаемой поверхностью некоего промежуточного вязкого слоя с нулевыми пульсациями скорости и давления представляется весьма интересной. Соответственно была создана простейшая установка для прямого определения напряжения трения на стенках отрезка трубы с использованием высокоточной современной измерительной техники. Проведенные измерения силы взаимодействия рабочей среды (воздуха) с поверхностью контрольного обрезка трубы показали, что при нанесении на стенки трубы масляного слоя высокой вязкости происходит резкое (до 30 - 40%) снижение сопротивления. Заметим, что аналогичный результат был зафиксирован и в 1970-е гг., когда впервые стали использовать поверхностно активные вещества в качестве борьбы с коррозией труб. Полученные результаты открывают совершенно новые пути совершенствования оборудования, где рабочим телом являются жидкие и газообразные среды.В свете полученных результатов в материалах проведенной работы содержится и новая трактовка режима «шероховатого» течения без привлечения гипотезы о существовании логарифмического подслоя вблизи стенки. Рассматриваемая часть исследований открывает, по сути, новое направление в проблеме взаимодействия движущихся сред с обтекаемыми поверхностями. Большое место в работе занимает раздел, посвященный исследованию пограничного слоя в плоскопараллельных каналах и в решетках профилей в условиях повышенной внешней турбулентности потока. Теоретически обоснована высокая консервативность пристеночной части турбулентного пограничного слоя. Показано, что эта область является мощным естественным генератором очень высокой степени турбулентности, которая при удалении от стенки снижается пропорционально по квадрату поперечного градиента скорости до турбулентности во внешней части пограничного слоя. Соответственно, пока величина внешней турбулентности не превысит уровень турбулентности, которая генерируется в пределах пристеночной части пограничного слоя, никаких изменений в пристеночной области течения не происходит и локальные коэффициенты сопротивления в очень малой степени реагируют на меняющийся уровень турбулентности во внешней по отношению к пограничному слою области. Важными в научном и практическом смысле являются результаты рассмотрения процесса перестройки силовых факторов, действующих в пределах пограничного слоя, при переходе от конфузорного к диффузорному течению в каналах типа сопл Лаваля, а также изменение этих факторов при движении рабочих сред в диффузорах. Дано теоретическое обоснование возникновения высоких пульсаций давления и появления локальных областей отрыва потока от стенок каналов в области минимального сечения сопл Лаваля. Показано, что здесь на очень малом линейном расстоянии под действием внешнего продольного градиента давления происходит смена направления действия поперечного градиента напряжения трения, причем в силу инерционных свойств потока скорость этой перестройки отстает от скорости изменения продольного градиента давления и нарушается баланс этих величин, являющийся условием безотрывного течения на базе проведенного анализа; теоретически обоснована необходимость введения между конфузорной и диффузорной частями сопл Лаваля небольшого цилиндрического канала. Эффективность такого решения была проверена на примере создания новых диффузорных седел для регулирующих клапанов паровых турбин. В последнем случае отмечается существенно более высокая степень восстановления статического давления в диффузорной части седла. Проведенные теоретические исследования позволили разработать новый весьма эффективный способ стабилизации течения в широкоугольных конических и кольцевых диффузорах путем введения продольного оребрения обтекаемых поверхностей клиновидными ребрами, высота которых в выходном сечении должна быть одного порядка с толщиной пограничного слоя в этом сечении. Эффективность использования криволинейных ребер для оребрения торцевых поверхностей решеток профилей турбомашин была подтверждена опытами с сопловыми решетками, где таким образом удалось снизить величину концевых потерь энергии на 25 - 30%. Разработан метод расчета потерь энергии в решетках турбомашин на основе расчета пограничного слоя и прошедших апробацию полуэмпирических формул, определяющий концевые и кромочные потери.