Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки
Экспериментально изучена генерация резонансных мод осцилляций, обусловленных взаимодействием гидродинамических и гидроакустических явлений внутри трехмерной полусферической лунки. Приведены результаты визуальных исследований особенностей вихревого движения как в лунке, так и в ее окрестности. В зави...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Акустичний вісник |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2007
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79746 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки / А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник // Акустичний вісник — 2007. —Т. 10, № 4. — С. 36-46. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860042159034466304 |
|---|---|
| author | Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. |
| author_facet | Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. |
| citation_txt | Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки / А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник // Акустичний вісник — 2007. —Т. 10, № 4. — С. 36-46. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Акустичний вісник |
| description | Экспериментально изучена генерация резонансных мод осцилляций, обусловленных взаимодействием гидродинамических и гидроакустических явлений внутри трехмерной полусферической лунки. Приведены результаты визуальных исследований особенностей вихревого движения как в лунке, так и в ее окрестности. В зависимости от режима течения, обнаружены симметричные и асимметричные крупномасштабные вихревые системы внутри лунки. Указаны местоположение и периодичность их выброса наружу. Термоанемометрические измерения профилей средних значений и пульсаций продольной скорости и поперечной завихренности показали наличие областей ускорения и торможения вихревого потока, зон возвратного и циркуляционного течения внутри трехмерной лунки. В спектрах пульсаций скорости обнаружены дискретные высокодобротные пики в четырех частотных диапазонах. Они соответствуют частоте вращения вихревых систем внутри лунки; частоте их выбросов наружу; частоте следовой моды колебания вихревого движения в лунке, обусловленной гидродинамическим резонансом, и частоте автоколебаний внутри углубления, создающих вторую моду Розитэ (последние отвечают гидроакустическому резонансу). Указаны форма и размеры квазиустойчивых крупномасштабных вихревых структур, области их зарождения и этапы развития.
Експериментально вивчено генерацію резонансних мод осциляцій, обумовлених взаємодією гідродинамічних та гідроакустичних явищ усередині тривимірної напівсферичної лунки. Наведені результати візуальних досліджень особливостей вихрового руху як у лунці, так і в її околі. В залежності від режиму течії, знайдені симетричні й асиметричні великомасштабні вихрові системи всередині лунки. Вказані місцезнаходження й періодичність їх викиду назовні. Термоанемометричні вимірювання профілів середніх значень і пульсацій повздовжньої швидкості й поперечної завихореності показали наявність областей прискорення і гальмування вихрового потоку, зони зворотної й циркуляційної течії всередині тривимірної лунки. У спектрах пульсацій швидкості знайдені дискретні високодобротні піки у чотирьох частотних діапазонах. Вони відповідають частоті обертання вихрових систем усередині лунки; частоті їх викидів з неї; частоті слідової моди коливання вихрового руху в лунці, обумовленої гідродинамічним резонансом, і частоті автоколивань всередині заглиблення, які створюють другу моду Розіте (останні відповідають гідроакустичному резонансу). Вказані форма й розміри квазістійких великомасштабних вихрових структур, області їхнього зародження й етапи розвитку.
The paper deals with experimental studying of generation of resonant oscillation modes caused by interaction of hydrodynamic and hydroacoustic phenomena inside the three-dimensional hemispherical cavity. The results of visual investigation of vortical motion features are presented both for the cavity inside, and its vicinity. Depending on flow regime, the symmetric and asymmetric large-scale vortex systems are found inside the cavity. Their location and periodicity of separation are pointed out. The hot-wire measurements of mean value and fluctuations of streamwise velocity and crosswise vorticity profiles show the existence of regions of acceleration and deceleration of the vortex flow, zones of the reverse and circulating flows inside the three-dimensional cavity. The discrete high-quality peaks in four frequency ranges are found in the spectra of velocity fluctuations. They correspond to rotating frequency of vortex systems inside the cavity; their separation frequency; wake mode frequency of oscillations of cavity vortical motion, caused by a hydrodynamic resonance, and self-oscillation frequency inside the cavity, that forms the second Rossiter shear layer mode of self-sustained oscillations (the letter correspond to a hydroacoustic resonance). Form and sizes of quasi-stable large-scale vortex structures, regions of their origin and development stages are pointed out.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:56:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
УДК 532.517
ИСТОЧНИКИ РЕЗОНАНСНЫХ МОД ОСЦИЛЛЯЦИЙ
ВНУТРИ ОБТЕКАЕМОЙ ПОЛУСФЕРИЧЕСКОЙ ЛУНКИ
А. В. ВО СК О БО Й Н И К, В. А. В О СК ОБ О Й Н И К
Институт гидромеханики НАН Украины, Киев
Получено 05.10.2007
Экспериментально изучена генерация резонансных мод осцилляций, обусловленных взаимодействием гидродинами-
ческих и гидроакустических явлений внутри трехмерной полусферической лунки. Приведены результаты визуаль-
ных исследований особенностей вихревого движения как в лунке, так и в ее окрестности. В зависимости от режима
течения, обнаружены симметричные и асимметричные крупномасштабные вихревые системы внутри лунки. Ука-
заны местоположение и периодичность их выброса наружу. Термоанемометрические измерения профилей средних
значений и пульсаций продольной скорости и поперечной завихренности показали наличие областей ускорения и
торможения вихревого потока, зон возвратного и циркуляционного течения внутри трехмерной лунки. В спектрах
пульсаций скорости обнаружены дискретные высокодобротные пики в четырех частотных диапазонах. Они соо-
тветствуют частоте вращения вихревых систем внутри лунки; частоте их выбросов наружу; частоте следовой моды
колебания вихревого движения в лунке, обусловленной гидродинамическим резонансом, и частоте автоколебаний
внутри углубления, создающих вторую моду Розитэ (последние отвечают гидроакустическому резонансу). Указа-
ны форма и размеры квазиустойчивых крупномасштабных вихревых структур, области их зарождения и этапы
развития.
Експериментально вивчено генерацiю резонансних мод осциляцiй, обумовлених взаємодiєю гiдродинамiчних та гi-
дроакустичних явищ усерединi тривимiрної напiвсферичної лунки. Наведенi результати вiзуальних дослiджень осо-
бливостей вихрового руху як у лунцi, так i в її околi. В залежностi вiд режиму течiї, знайденi симетричнi й аси-
метричнi великомасштабнi вихровi системи всерединi лунки. Вказанi мiсцезнаходження й перiодичнiсть їх викиду
назовнi. Термоанемометричнi вимiрювання профiлiв середнiх значень i пульсацiй повздовжньої швидкостi й попе-
речної завихореностi показали наявнiсть областей прискорення i гальмування вихрового потоку, зони зворотної й
циркуляцiйної течiї всерединi тривимiрної лунки. У спектрах пульсацiй швидкостi знайденi дискретнi високодобро-
тнi пiки у чотирьох частотних дiапазонах. Вони вiдповiдають частотi обертання вихрових систем усерединi лунки;
частотi їх викидiв з неї; частотi слiдової моди коливання вихрового руху в лунцi, обумовленої гiдродинамiчним
резонансом, i частотi автоколивань всерединi заглиблення, якi створюють другу моду Розiте (останнi вiдповiдають
гiдроакустичному резонансу). Вказанi форма й розмiри квазiстiйких великомасштабних вихрових структур, областi
їхнього зародження й етапи розвитку.
The paper deals with experimental studying of generation of resonant oscillation modes caused by interaction of
hydrodynamic and hydroacoustic phenomena inside the three-dimensional hemispherical cavity. The results of visual
investigation of vortical motion features are presented both for the cavity inside, and its vicinity. Depending on flow
regime, the symmetric and asymmetric large-scale vortex systems are found inside the cavity. Their location and peri-
odicity of separation are pointed out. The hot-wire measurements of mean value and fluctuations of streamwise velocity
and crosswise vorticity profiles show the existence of regions of acceleration and deceleration of the vortex flow, zones of
the reverse and circulating flows inside the three-dimensional cavity. The discrete high-quality peaks in four frequency
ranges are found in the spectra of velocity fluctuations. They correspond to rotating frequency of vortex systems insi-
de the cavity; their separation frequency; wake mode frequency of oscillations of cavity vortical motion, caused by a
hydrodynamic resonance, and self-oscillation frequency inside the cavity, that forms the second Rossiter shear layer mode
of self-sustained oscillations (the letter correspond to a hydroacoustic resonance). Form and sizes of quasi-stable large-scale
vortex structures, regions of their origin and development stages are pointed out.
ВВЕДЕНИЕ
Проводящиеся в последние шестьдесят лет ин-
тенсивные исследования в области гидроакустики
и аэрогидродинамики вихревого течения в углу-
блениях направлены на выработку понимания фи-
зики комплексных течений, которые имеют место
внутри углублений, и поиск возможностей кон-
тролировать, управлять и минимизировать неже-
лательные эффекты вихревого течения. Обтека-
ние локальных углублений или лунок на поверхно-
сти вызывает значительные пульсации давления,
скорости, температуры, плотности в пограничном
слое. Это приводит к образованию источника аку-
стических волн, распространяющихся в окружаю-
щее пространство. Кроме того, пульсации вызыва-
ют рост локального сопротивления обтекания, слу-
жат причиной отказа или повреждения инстру-
ментов и навигационного оборудования, установ-
ленного на поверхности, из-за возникновения резо-
нансных колебаний. В авиации сверхзвуковые по-
токи могут возбуждать внутри углублений уров-
ни акустического давления вплоть до 170 дБ [1].
Этого вполне достаточно, чтобы вызвать значи-
тельные повреждения в системах шасси, навесных
агрегатах и пр., вплоть до их разрушения. Поэто-
му течения такого типа представляют значитель-
ный фундаментальный и прикладной интерес.
Характерной особенностью течения над локаль-
ным углублением является наличие перекрываю-
36 c© А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник, 2007
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
щего его сдвигового слоя, который формируется
при отрыве набегающего потока в результате на-
рушения геометрической непрерывности обтекае-
мой поверхности. Многочисленные исследования
показали, что при определенных (сверхкритиче-
ских) режимах обтекания отчетливо видны коге-
рентные вихри, периодически сходящие с передне-
го края углубления [2 – 4] и переносимые вниз по
потоку внутри сдвигового слоя. Изучив течения
в таких неоднородностях обтекаемой поверхности,
Розитэ [2] предложил следующую модель, хара-
ктеризующую особенности генерации колебатель-
ных тонов внутри углубления. Вихри, периодиче-
ски сходящие с верхнего по потоку края углубле-
ния, конвектируют вниз по течению внутри сдви-
гового слоя до тех пор, пока не достигнут кор-
мовой стенки. При взаимодействии вихрей сдви-
гового слоя с ней генерируются распространяю-
щиеся в окружающую среду акустические волны.
При достижении верхнего края углубления по-
следние возбуждают наиболее чувствительную к
флуктуациям область отрыва пограничного слоя
и порождают новые вихри. Таким образом, вихри
и гидроакустические возмущения формируют пе-
тлю обратной связи. Осцилляции в углублении об-
условлены механизмом гидроакустического резо-
нанса. Он включает в себя:
• усиление возмущений сдвиговым слоем;
• генерацию акустических волн при ударе ви-
хревых возмущений в кормовую стенку углу-
бления;
• распространение вверх по потоку и преобразо-
вание волн давления в вихревые волны вбли-
зи переднего края углубления, что порожда-
ет последующие неустойчивости в сдвиговом
слое.
Наличие обратной связи приводит к резонансу
и появлению автоколебаний. Такой тип течения
соответствует осцилляциям, генерирующим моды
сдвигового слоя Розитэ, в котором резонансные ча-
стоты автоколебаний определяются по формуле,
также носящей его имя [2]. Благодаря автоколеба-
тельной природе, акустические пульсации генери-
руются периодически и формируют узкополосные
высокодобротные акустические моды. Розитэ пре-
дложил следующую полуэмпирическую формулу
для определения частот мод автоколебаний в ка-
верне: fL/U0 =(n−γ)/(M+1/k), где f – частота
тонов; L – длина углубления; U0 – скорость набе-
гающего потока; n – целое число, отвечающее но-
меру моды; γ – коэффициент, учитывающий фа-
зовую задержку между переносом вихря и про-
хождением акустического импульса до переднего
по потоку края углубления; M – число Маха; k –
отношение конвективной скорости вихрей к ско-
рости набегающего потока. Розитэ установил, что
наилучшими оценками эмпирических констант яв-
ляются γ=0.25 и 1/k=1.75.
Несколько иное представление механизма обра-
тной связи как результата взаимодействия отрыв-
ного сдвигового слоя с границами углубления при-
ведено в работе [5]. Генерация углублением аку-
стического излучения, ось максимальной интен-
сивности которого обычно направлена либо вдоль,
либо перпендикулярно набегающему погранично-
му слою, описывается механизмом обратной свя-
зи [5, 6], основанным на взаимодействии отрывно-
го сдвигового слоя с границами углубления. Про-
цесс начинается с отрыва потока на переднем крае
углубления или вблизи него. Когда сдвиговый
слой сталкивается с кормовой стенкой углубления,
то генерируется волна возмущения. Как прави-
ло, она излучается навстречу набегающему пото-
ку двумя разными путями. Первая из волн (вол-
на давления) переносится вверх по потоку вну-
три углубления. Вторая, обычно именуемая аку-
стической волной, перемещается наружу из углу-
бления и выше свободного сдвигового слоя. Ра-
зница давлений между двумя волнами заставля-
ет поток вблизи переднего края углубления сво-
рачиваться, порождая внутри сдвигового слоя ви-
хри, конвектирующие вниз по потоку. Эти новые
вихри ударяются в кормовую стенку и снова ге-
нерируют звуковые волны, которые излучаются
вверх по потоку, таким образом замыкая петлю
положительной обратной связи. Последняя посте-
пенно увеличивает амплитуду колебаний и отвеча-
ет за волны пульсаций давления и тоны высокой
интенсивности, генерируемые углублением. Неже-
лательный с точки зрения практики мощный то-
нальный сигнал порождается самосохранящимися
осцилляциями или автоколебаниями. Описанные
излучаемые наружу акустические волны и отра-
жающиеся внутри углубления волны давления по-
казаны на схеме рис. 1, предложенной в работе [6].
В последние годы многими исследователями
изучаются генерируемые потоком псевдозвуковые
и акустические осцилляции, возникающие вслед-
ствие взаимодействия локальных углублений на
обтекаемой поверхности с набегающим пограни-
чным слоем [7]. При увеличении толщины после-
днего уровни излучаемого углублением звуково-
го давления уменьшаются. Теоретические расчеты
согласуются с большинством экспериментальных
наблюдений и показывают, что двумерные углу-
А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник 37
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
U0
Акустическая
волна
Волна
давления
Сдвиговый
слой
Рис. 1. Схема автоколебаний внутри углубления
и волны возмущений
бления несколько шумнее их трехмерных анало-
гов. Ослабление когерентности сдвигового слоя,
обусловленное турбулентностью, обычно рассма-
тривается как ключевая позиция при объяснении
этого различия [8 – 10]. Спектры гидродинамиче-
ского шума, порождаемого наличием углубления
на обтекаемой поверхности, содержат как широко-
полосные, так и тональные частотные (волновые)
компоненты [7, 11]. Как отмечалось ранее, суще-
ствование последних обусловлено резонансными
явлениями, присущими вихревому движению вну-
три и вблизи углубления. Конкретнее, речь идет
о гидродинамическом резонансном механизме сле-
довой моды, который возникает при периодиче-
ском зарождении и схождении крупномасштабных
вихревых структур с переднего края углубления и
при автоколебательном механизме сдвиговой мо-
ды, который запускается за счет обратной связи
между гидродинамикой течения и акустическим
полем. В ряде работ [6, 7, 12 –14] установлено, что
вторая и третья сдвиговые моды Розитэ резонан-
сных колебаний в открытых углублениях являю-
тся преобладающими тонами в спектрах гидроди-
намического шума.
В представленных ниже экспериментальных ис-
следованиях ставилась задача визуальными и ин-
струментальными методами определить характер-
ные особенности вихревого течения внутри ло-
кального трехмерного углубления полусфериче-
ской формы на обтекаемой поверхности и его вли-
яние на интегральные и спектральные параметры
поля скорости в пограничном слое над обтекаемой
поверхностью.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Экспериментальное исследование влияния тре-
хмерного углубления в виде полусферы радиусом
R=0.01 м на поверхности плоской пластины на
возникающий над ней пограничный слой прово-
дилось на аэродинамическом стенде. Стенд пред-
ставлял собой аэродинамическую трубу открытого
типа диаметром 0.1 м, работающую на всасывание
воздуха, заполняющего лабораторное помещение.
Перед измерительным участком, где монтирова-
лась пластина с углублением, размещался входной
участок длиной почти 0.4 м и диаметром 0.1 м.
Он заканчивался воздухозаборником длиной око-
ло 0.1 м, спрофилированного по закону лемниска-
ты, что обеспечивало безотрывный вход воздушно-
го потока в аэродинамическую трубу с достаточно
равномерным профилем скорости и давления [15].
При монтаже стенда все узлы и системы уста-
навливались на вибродемпфирующих и виброи-
золированных креплениях, амортизаторах, про-
кладках (в том числе и многослойных). При этом
использовались активные (динамические) и пас-
сивные методы уменьшения акустических и вибра-
ционных помех. Чтобы не создавать дополнитель-
ных источников турбулизации потока, все стыки,
щели и неровности, имевшие место при изготов-
лении углубления, выравнивались герметиком ли-
бо пластилином. Гидравлически гладкая пласти-
на размером 0.65×0.1 м2 монтировалась в осе-
вом сечении прозрачного измерительного участ-
ка аэродинамической трубы вдоль ее продольной
оси. Центр полусферического углубления (рис. 2)
размещался по оси пластины на расстоянии 0.5 м
от ее переднего края. Развитие пограничного слоя
над исследуемой пластиной с локальной поверх-
ностной неоднородностью было естественным, без
использования носовых турбулизаторов.
На верхней поверхности прозрачного измери-
тельного участка аэродинамической трубы в спе-
циально сделанном отверстии устанавливалось ко-
ординатное устройство, в котором через соответ-
ствующие державки и узлы креплений фиксиро-
вались проволочные термоанемометрические да-
тчики фирмы Disa. Герметически соединенное
с внутренней поверхностью трубы координатное
устройство, оборудованное микрометрическими
головками, обеспечивало линейное перемещение
датчиков с точностью до 0.01 мм. В исследованиях
использовались однониточные проволочные тер-
моанемометрические датчики с отношением дли-
ны проволочки к ее толщине порядка 200 (в со-
ответствии с рекомендациями [16]). Электриче-
38 А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
yU
x
z
Рис. 2. Эскиз пластины с полусферической лункой и используемая система координат
ские сигналы с проволочных датчиков поступа-
ли на комплект термоанемометрической аппара-
туры фирмы Disa, работающей в режиме посто-
янной температуры. Калибровка и тарировка да-
тчиков и контрольно-измерительной аппаратуры
была проведена как абсолютным, так и относи-
тельным методами. Температура и влажность воз-
духа, образующего аэродинамический поток в тру-
бе, были практически неизменными (на протяже-
нии всех экспериментальных исследований осуще-
ствлялся постоянный контроль этих параметров,
а также атмосферного давления).
Измерения проводились для скорости потока от
3 до 16 м/с в осевом сечении аэродинамической
трубы для степени турбулентности потока, не пре-
вышающем 3 % в месте расположения углубления
на пластине для наибольшей скорости обтекания.
В результате удалось достичь приемлемых усло-
вий эксперимента с достаточно высокой степенью
точности и повторяемости результатов. Програм-
ма и методика исследований позволила проводить
статистический анализ полученных данных, кото-
рые регистрировались не менее минуты во вре-
мя одного измерения, с использованием алгорит-
ма быстрого преобразования Фурье. Погрешность
измерений осредненных характеристик поля ско-
рости не превышала 10 % для доверительного ин-
тервала 0.95, а спектральных зависимостей – око-
ло 2 дБ в частотном диапазоне от 2 до 12500 Гц.
Методически исследования начинались с про-
ведения визуализации потока как в полусфериче-
ской лунке, так и в ее окрестности [17, 18]. Карти-
ны визуализации и динамика вихревого движения
внутри углубления и вблизи него (в пограничном
слое над обтекаемой пластиной) регистрировались
фотоаппаратами и видеокамерами с последующей
обработкой и анализом фото- и видеоматериала
на персональных компьютерах, оснащенных спе-
циально разработанным программным обеспече-
нием. Затем в характерных областях, где вихревое
движение среды прослеживается отчетливо, про-
водились инструментальные измерения с опреде-
лением количественных параметров вихревого те-
чения.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И АНАЛИЗ
ДАННЫХ
Для исследования структуры потока внутри и
вблизи полусферического углубления на плоской
пластине использовался дымовой метод визуали-
зации [14, 18]. Характерные числа Рейнольдса ле-
жали в диапазоне Rex =xU0/ν =(0.9÷1.4)·105, где
U0 – скорость потока; x – расстояние от пере-
днего края пластины до центра углубления; ν –
кинематическая вязкость жидкости. В результате
установлено, что дым внутри лунки движется в
трех взаимно перпендикулярных плоскостях и пе-
риодически выбрасывается наружу (рис. 3). Ана-
лиз данных визуализации с использованием ком-
пьютерной техники позволил уточнить характер-
ные размеры вихревых систем, их местоположе-
ние и частоту выброса крупномасштабной вихре-
вой структуры из углубления [17, 19]. Для малой
скорости потока дым в лунку заходил по очере-
ди то с одной, то с другой стороны, а его выброс
также по очереди наблюдался с противоположных
сторон лунки (см. рис. 3, а). При увеличении ско-
рости обтекания движение дыма в лунке приобре-
тало более устойчивый характер, по форме напо-
минающий букву “Ф” (если смотреть на углубле-
ние сверху, рис. 3, б). При этом поочередное фор-
мирование вихрей на боковых сторонах лунки ре-
гистрировалось очень редко.
Анализ видеоматериалов позволил установить,
что внутри полусферической лунки для турбу-
лентного режима обтекания формируется вихре-
вая система с двумя источниками на противопо-
ложных боковых стенках лунки, а выброс ее из
лунки происходит вдоль продольной оси лунки и
имеет вид раскручивающейся спирали. Качествен-
но подобная картина вихревого движения внутри
углубления была получена в работах [3, 20 –22].
Таким образом, на основе визуализации были
А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник 39
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
а б
Рис. 3. Визуализация вихревого течения в полусферической лунке:
а – ламинарный режим обтекания, б – турбулентный режим обтекания
определены характерные области формирования и
развития когерентных вихревых структур, что по-
зволило спланировать и реализовать проведение
количественных оценок кинематических характе-
ристик вихревого движения в них с помощью тер-
моанемометрических измерений.
В результате экспериментальных исследований
получены интегральные и спектральные характе-
ристики поля скорости в пограничном слое над
плоской пластиной, а также в полусферической
лунке и над ней. Для малых скоростей потока
или ламинарного режима обтекания гидравличе-
ски гладкой пластины с локальным углублениям
профили средней продольной скорости подобны
профилю Блазиуса. При обтекании плоской пла-
стины с локальным полусферическим углублени-
ем для числа Рейнольдса Rex =5.2·105 профили
местной осредненной продольной скорости имеют
ярко выраженный турбулентный характер, отве-
чающий “закону одной седьмой”. С приближени-
ем к исследуемому углублению заполненность про-
филей уменьшается, что указывает на тормозя-
щий эффект, оказываемый углублением на набе-
гающий поток [15].
Профили среднего значения и пульсаций про-
дольной скорости, а также осредненной и пуль-
сационной составляющей поперечной завихренно-
сти, измеренные в сечениях x/R=−1.0, −0.5, 0,
0.3, 0.6 и 1.0 вдоль осевой продольной плоскости
лунки, показаны на рис. 4 и 5 соответственно. На
рис. 4 кривые 1 соответствуют данным из рабо-
ты [23], кривые 2 – данным из статьи [24], кри-
вые 3 – полученным нами результатам. Характер
осредненных и пульсационных составляющих про-
дольной скорости показал, что над лункой суще-
ствуют переменные области уменьшения и уве-
личения продольной скорости. Этот вывод под-
тверждается результатами работы [3]. Указанные
области обусловлены влиянием лунки на погра-
ничный слой. Осредненные и пульсационные ско-
рости в общем увеличиваются при приближении
слоя смешения, который образуется при отрыве
пограничного слоя с передней кромки углубления,
к кормовой стенке. Местоположение максималь-
ных значений пульсаций продольной скорости уда-
ляется вглубь лунки при приближении к кормовой
стенке. Уровень максимальных значений пульса-
ций продольной скорости увеличивается при пе-
ремещении вниз по потоку вдоль отверстия углу-
бления. Это является следствием роста сдвигового
слоя или его ширины с увеличением продольной
координаты.
В придонной части лунки появляется обратное
течение, зарождающееся в зоне взаимодействия
слоя смешения с кормовой стенкой. Этот вывод
следует из анализа полученных профилей про-
дольной осредненной и пульсационной скорости
(рис. 4) и профилей осредненной скорости, изме-
ренных для схожих режимов обтекания други-
ми авторами [23, 24]. Над углублением наблюда-
ются области уменьшения и увеличения средней
скорости с ускорением потока вблизи кормового
края углубления. В передней части лунки и над
ее кормовой стенкой на уровне плоскости пласти-
ны (y=0) поток тормозится, а в сечении x/R=0.25
средняя продольная скорость в пограничном слое
достигает максимального значения. Внутри углу-
бления наблюдается уменьшение значений осре-
дненной скорости, а также изменение направления
вектора скорости, что обуславливает формирова-
ние циркуляционного течения.
На рис. 5, а представлены оценки сре-
дних значений поперечной завихренности
Ωz =∂V̄ /∂x−∂Ū/∂y, а на рис. 5, б – ее пуль-
сационных составляющих (ω′
z
= ∂v′/∂x−∂u′/∂y),
нормированных внешними переменными: толщи-
ной пограничного слоя δ и скоростью набега-
ющего потока U0. Наибольшие уровни средней
40 А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
-1,2 -0,8 -0,4 0,0 0,4 0,8 1,2
-0,9
-0,6
-0,3
0,0
0,3
U/U0
U0 = 15,5 m/s
1
2
3
y/R
x/R
U/U0=1.0
-1,2 -0,8 -0,4 0,0 0,4 0,8 1,2
-0,8
-0,4
0,0
y/R
x/R
u'/U0=0.1 u'/U0
U0 = 15,5 m/s
а б
Рис. 4. Профили средней и пульсационной составляющих продольной скорости в лунке и над ней:
а – среднее значение, б – пульсации скорости
-1,2 -0,8 -0,4 0,0 0,4 0,8 1,2
-0,8
-0,4
0,0
y/R
x/R
/U0=1.0 /U0
U0 = 15,5 m/s
-1,2 -0,8 -0,4 0,0 0,4 0,8 1,2
-0,8
-0,4
0,0
y/R
x/R
' /U0=0.2 ' /U0
U0 = 15,5 m/s
а б
Рис. 5. Линии равных средних значений и пульсаций поперечной завихренности внутри лунки и над ней:
а – средние значения завихренности, б – пульсации завихренности
и пульсационной составляющих завихренно-
сти наблюдаются на границе слоя смешения
(особенно на его нижней стороне, находящейся
внутри лунки) и вблизи обтекаемой поверхности
лунки и пластины. Резкий рост отрицательного
значения средней завихренности, а особенно ее
пульсационной составляющей, происходит вблизи
сопряжения кормовой части лунки и пластины –
там, где происходит ударное взаимодействие слоя
смешения с задней кромкой углубления.
Наименьшие модули завихренности и пульсаци-
онной составляющей скорости наблюдаются там,
где средняя продольная скорость равна нулю. Ис-
следования показали, что наличие циркуляцион-
ного течения внутри лунки порождает квазиустой-
чивую (в статистическом понимании) крупномас-
штабную вихревую структуру. Местоположение ее
ядра соответствует тем областям, где отмечаются
минимальные абсолютные значения поля скоро-
стей и завихренности (см. рис. 4 и 5).
Спектральная плотность мощности пульсаций
продольной скорости перед лункой как в часто-
тном, так и в волновом представлении имеет мо-
нотонно изменяющийся характер. При приближе-
нии к поверхности обтекаемой пластины, где опре-
деляющими становятся вязкие силы, спектры на-
полняются высокочастотными или высоковолно-
выми составляющими за счет уменьшения низко-
частотных (низковолновых) пульсаций скорости.
Это отвечает каскадному процессу трансформа-
ции энергии от крупномасштабных вихревых си-
стем внешней области пограничного слоя к мелко-
масштабным вихрям пристеночной области за счет
разрушения первых.
Вблизи углубления и за ним в спектральных
плотностях мощности пульсаций продольной ско-
рости появляется ряд особенностей. В монотон-
но изменяющемся спектре, характерном для те-
чения перед лункой, возникают дискретные пики,
обусловленные вихревым движением внутри лун-
А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник 41
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
10-3 10-2 10-1 100 101
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
1 x/R=-0,5
2 x/R=0,0
3 x/R=0,3
4 x/R=0,6
5 x/R=1,0
U0 = 15,5 m/s
kx
P* (k
x)
10-3 10-2 10-1 100 101
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
U0 = 15,5 m/s
kx
k x
P* (k
x)
1 x/R=-0,5
2 x/R=0,0
3 x/R=0,3
4 x/R=0,6
5 x/R=1,0
а б
Рис. 6. Волновой спектр пульсаций продольной скорости (а) и его первый момент (б) в сечении z=0
ки. На рис. 6 приведены нормированные волновой
спектр пульсаций продольной скорости (рис. 6, а),
а также его первый момент (рис. 6, б), зареги-
стрированные в осевом сечении углубления (z=0)
при скорости обтекания 15.5 м/с. На графиках
первые четыре кривые получены на уровне го-
ризонтальной плоскости пластины y=0, а пя-
тая – над пластиной на расстоянии y=0.05R. Кри-
вая 1 отвечает точке измерения с координатой
x=0.5R, кривая 2 – x=0, кривая 3 – x=0.3R,
кривая 4 – x=0.6R и кривая 5 – x=R. Для
нормировки спектральных зависимостей исполь-
зовалась толщина пограничного слоя δ, отвеча-
ющая значениям, измеренным на переднем крае
углубления. Сама нормировка определялась как
P ∗(kx)=P (kx)kx/(u′)2, где kx =2πf/uc – продоль-
ное волновое число; uc – конвективная скорость.
В соответствии с данными, представленными на
рис. 6, в фронтальной части углубления наблю-
дается один дискретный подъем спектра для про-
дольного волнового числа kx≈0.15/δ. Его ампли-
туда имеет максимум над центром углубления и
уменьшается при продвижении вниз по потоку в
направлении к кормовой поверхности. В осевом се-
чении x=0 в спектральных зависимостях наблю-
дается еще один заметный подъем при kx≈0.05/δ с
максимумом, регистрируемым в сечении x=0.3R.
Над кормовым краем углубления для малого вол-
нового числа kx≈0.015/δ имеет место третий дис-
кретный пик спектральных уровней (см. рис. 6, а),
а также подъемы в спектрах для kx≈0.8/δ (см.
рис. 6, б). Таким образом, наибольший вклад в
энергию поля пульсаций скорости для всех иссле-
дованных продольных сечений вносят вихревые
структуры с волновым числом kx≈0.15/δ. Ему
соответствует формируемый внутри углубления
крупномасштабный вихрь, продольная длина вол-
ны которого равна приблизительно (0.7÷0.8)D. С
удалением от углубления вдоль пластины погра-
ничный слой восстанавливается [17], дискретные
пики в спектральных зависимостях вырождаются
и кривые вновь приобретают монотонный харак-
42 А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
10-3 10-2 10-1 100 101
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
1 y/R = 0,00
2 y/R = -0,10
3 y/R = -0,20
4 y/R = -0,40
5 y/R = -0,50
6 y/R = -0,70
7 y/R = -0,80
(x=0,3R; y=var; z=0,0)
U0 = 15,5 m/sP w
* (
)
10-3 10-2 10-1 100 101
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
(x=0,3R; y=var; z=0,0)
U0 = 15,5 m/s
P w
* (
)
1 y/R = 0,00
2 y/R = -0,10
3 y/R = -0,20
4 y/R = -0,40
5 y/R = -0,50
6 y/R = -0,70
7 y/R = -0,80
а б
Рис. 7. Спектральная плотность мощности пульсаций поперечной скорости (а)
и ее первый момент (б) в сечении x/R=0.3
тер, отвечающий турбулентному режиму обтека-
ния гидравлически гладкой пластины.
Внутри углубления в частотных и волновых
спектральных зависимостях дискретные пики за-
регистрированы также в области малых и сре-
дних частот (волновых чисел). Рассмотрим ре-
зультаты измерений нормированной спектраль-
ной плотности мощности пульсаций поперечной
(трансверсальной) скорости (рис. 7, а), а также
первых моментов спектральных плотностей мощ-
ности пульсаций поперечной скорости (рис. 7, б)
в сечении углубления с координатами x/R=0.3
и z=0. Кривая 1 соответствует точке измерения
с координатой y=0, кривая 2 – y=−0.1, кри-
вая 3 – y=−0.2, кривая 4 – y=−0.4, кривая 5 –
y=−0.5, кривая 6 – y=−0.7 и кривая 7 – y=−0.8.
Спектральная плотность мощности, нормирован-
ная внешними переменными δ и U0, определя-
лась как P ∗(ω)=P (ω)δ/((u′)2U0), а частота – как
ω∗=ωδ/U0, где ω=2πf .
При заглублении внутрь лунки высокочасто-
тные (высоковолновые) составляющие спектров
уменьшаются, а возрастают низкочастотные (низ-
коволновые) компоненты, дающие дискретные пи-
ки. Следовательно, с перемещением внутрь по-
лусферического углубления наиболее энергонесу-
щими становятся крупномасштабные источники
пульсаций скорости. Минимальный вклад мелко-
масштабных высокочастотных вихрей в спектр
пульсаций скорости наблюдается там, где распола-
гается ядро крупномасштабного вихря (см., рис. 4
и 5, а также кривые 5 и 6 на рис. 7). Из рис. 7
следует, что дискретные пики в спектрах пульса-
ций продольной и поперечной скоростей внутри
лунки для скорости обтекания 15.5 м/с регистри-
руются в частотных диапазонах 0.002<ω∗<0.004,
0.04<ω∗<0.06, 0.09<ω∗<0.15 и 0.6<ω∗<0.9.
Первый низкочастотный диапазон, отвечающий
частотам 0.002<ω∗<0.004 или от 2 до 3 Гц (см.
рис. 7, а), обусловлен выбросами вихревых си-
стем из углубления. Это подтверждается и ана-
лизом данных, полученных при дымовой визуали-
А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник 43
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
зации вихревого течения внутри углубления и над
ним [17,19].
Число Струхаля для второго частотно-
го диапазона дискретных пиков составляет
StD =fD/U0 =0.036÷0.054. Это соответствует
значениям следовой моды колебаний сдвигового
слоя над углублением [25, 26]. Упомянутая мода
характеризуется сходом крупномасштабных ви-
хревых систем с переднего края углубления (он
подобен следовым течениям за плохо обтекаемыми
телами [27]). Сходящий вихрь имеет размеры,
близкие к размерам самого углубления, и когда
он формируется, пограничный слой устремляется
внутрь углубления [28, 29]. Вихрь отрывается
от переднего края углубления и эжектирует
из углубления в виде очень мощной крупно-
масштабной структуры. Она настолько велика,
что в процессе своего формирования вызывает
отрыв пограничного слоя выше по потоку от
переднего края углубления [10, 26, 30]. После
того, как крупномасштабный вихрь начинает
конвектировать от передней стенки углубления,
освобождая его объем, вовнутрь углубления
снова устремляется пограничный слой. На спе-
ктральных характеристиках пульсаций скорости в
углублении квазиустойчивый крупномасштабный
вихрь порождает дискретный подъем на частоте
ω∗=0.09÷0.15, отвечающей его частоте вращения.
Этот вихрь имеет форму, немного приплюсну-
тую ко дну лунки, и масштаб в горизонтальной
плоскости (полученный при измерении угловой
скорости и частоты вращения) около 0.8 диаметра
лунки, а в вертикальной – около четверти ее
диаметра.
Вследствие удара вихревых систем сдвигово-
го слоя о кормовую стенку в спектрах пульса-
ций скорости появляются высокочастотные коле-
бания, формирующие характеристику в диапазоне
ω∗=0.6÷0.9. Здесь среднее значение числа Стру-
халя будет StD ≈0.9, что отвечает второй моде ав-
токолебаний в лунке (вторая сдвиговая мода Роз-
итэ) и гидроакустическому резонансу.
ВЫВОДЫ
1. Обнаружено, что углубления в виде полусфе-
ры на поверхности плоской пластины суще-
ственно влияют на структуру пограничного
слоя, его кинематические и динамические ха-
рактеристики.
2. Зафиксировано, что внутри полусферическо-
го углубления существует крупномасштабный
вихрь, который вращается в трех взаимнопер-
пендикулярных плоскостях. Его форма, вид,
а также частота выброса из углубления за-
висят от скорости набегающего потока и гео-
метрических особенностей лунки. Для полу-
сферической лунки с острыми кромками при
ламинарном режиме обтекания несимметри-
чная крупномасштабная вихревая структура
располагалась внутри лунки под углом к на-
правлению набегающего потока. Источник ви-
хря находился на боковой стенке вблизи пе-
редней части лунки, а сток наблюдался над
противоположной боковой стенкой (в области
кормовой части) и имел вид низкочастотного
периодического выброса. Направление распо-
ложения вихря периодически менялось: его
источник и сток появлялись то на одной, то
на другой боковых стенках. При турбулен-
тном режиме обтекания поочередное зарожде-
ние вихрей на боковых сторонах лунки на-
блюдалось очень редко. В свою очередь, вну-
три полусферической лунки формировалась
симметричная вихревая система с двумя исто-
чниками на противоположных боковых стен-
ках ближе к передней части углубления. Ее
выброс происходил периодически вдоль про-
дольной оси лунки и имел вид раскручиваю-
щейся спирали.
3. Установлено, что в спектральных зависи-
мостях пульсаций продольной и попере-
чной скоростей внутри лунки дискретные
подъемы наблюдаются в частотных ди-
апазонах 0.002<ω∗<0.004, 0.04<ω∗<0.06,
0.09<ω∗<0.15 и 0.6<ω∗<0.9. Эти пики со-
ответствуют частоте вращения крупномас-
штабного вихря (0.09<ω∗<0.15), а также
частоте автоколебаний, возникающих при
ударном взаимодействии вихревых структур
слоя смешения с кормовой стенкой углубле-
ния (0.6<ω∗<0.9) и создающих вторую мо-
ду Розитэ для самосохраняющихся колеба-
ний, которые отвечают гидроакустическому
резонансу. Частота выбросов вихревых си-
стем из углубления также порождает дискре-
тный подъем в спектральных зависимостях
(0.002<ω∗<0.004). Трехмерность полусфери-
ческой лунки в области отрыва погранично-
го слоя приводит к появлению следовой мо-
ды колебания вихревого движения в лунке на
частотах 0.04<ω∗<0.06. Следовая мода осци-
лляций вихревого движения внутри полусфе-
рического углубления и вблизи него обуслов-
лена действием механизма гидродинамическо-
го резонанса.
44 А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
4. Показано, что спектральные зависимости, ко-
торые имеют дискретные пики, связанные с
формированием и развитием когерентных ви-
хревых структур внутри трехмерного углу-
бления и их выбросом наружу, с удалением
от лунки постепенно сглаживаются. В конце
концов спектры принимают монотонный ха-
рактер, присущий ненарушенному турбулен-
тному пограничному слою над плоской обте-
каемой поверхностью. Таким образом, погра-
ничный слой при удалении от полусфериче-
ской лунки постепенно восстанавливается.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Авторы признательны проф., докт. техн. наук
В. В. Бабенко и доц., канд. техн. наук. В. Н. Тури-
ку за активное участие при подготовке и проведе-
нии экспериментальных исследований и за ценные
указания при анализе и обсуждении результатов
работы.
1. Heller H. H., Delfs J. Cavity pressure oscillations: The
generating mechanism visualised // J. Sound Vib.–
1996.– 196, N 2.– P. 248–252.
2. Rossiter J. E. Wind tunnel experiments on the flow
over rectangular cavities at subsonic and transonic
speeds // RAE Tech. Rept. 64037.– 1964.– N 3438.–
P. 1–46.
3. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейка-
ми в приложении к летательным аппаратам инте-
гральной компоновки / Под ред. А. В. Ермишина,
С. А. Исаева.– М.-СПб., 2001.– 360 с.
4. Халатов А. А. Теплообмен и гидродинамика око-
ло поверхностных углублений (лунок).– K.: ИТТФ
НАН Украины, 2005.– 76 с.
5. Block P. J. W. Noise response of cavities of varying
dimensions at subsonic speeds // NASA TN.– 1976.–
N D-8351.– P. 1–67.
6. Ahuja K., Mendoza J. Effects of cavity dimensi-
ons, boundary layer, and temperature on cavity noi-
se with emphasis on benchmark data to validate
computational aeroacoustic codes // NASA CR.–
1995.– N 4653.– P. 1–284.
7. Rubio G., De Roeck W., Baelmans M., Desmet W.
Numerical study of noise generation mechanisms
in rectangular cavities // Europ. Colloqium 467:
Turbulent Flow and Noise Generation.– Marseille,
France, 2005.– P. 1–4.
8. Bres G. A., Colonius T. Direct numerical simulations
of three-dimensionalcavity flows // AIAA Pap. 2007-
3405.– P. 1–16.
9. Lai H., Luo K. H. A three-dimensional hybrid LES-
acoustic analogy method for predicting open-cavity
noise // Flow Turbulence Combust.– 2007.– 79.–
P. 55–82.
10. Larcheveque L., Sagaut P., Labbe O. Large-eddy
simulation of a subsonic cavity flow including
asymmetric three-dimensional effects // J. Fluid
Mech.– 2007.– 577.– P. 105–126.
11. Williams D. R., Cornelius D., Rowley C. W. Closed-
loop control of linear supersonic cavity tones //
AIAA Pap. 2007-4226. – P. 1–7.
12. Bres G. A., Colonius T. Three-dimensional linear
stability analysis of cavity flows // AIAA Pap. 2007-
1126.– P. 1–16.
13. Samimy M., Debiasi M., Caraballo E., Serrani A.,
Yuan X., Little J., Myatt J. H. Reduced-order model-
based feedback control of subsonic cavity flows –
An experimental approach // Active Flow Control,
NNFM.– 2007.– 95.– P. 211–229.
14. Воскобiйник А. В., Воскобiйник В. А. Кiнематика
вихорового руху на обтiчнiй поверхнi з напiвци-
лiндричною канавкою // Акуст. вiсн.– 2007.– 10,
N 3.– С. 14–26.
15. Бабенко В. В., Воскобойник А. В., Воскобой-
ник В. А., Турик В. Н. Профили скорости в по-
граничном слое над пластиной с углублением //
Акуст. вiсн.– 2004.– 7, N 3.– С. 14–27.
16. Jorgensen F. E. How to measure turbulence with hot-
wire anemometers – A practical guide.– Skovlunde,
Denmark: Dantec Dynamics, 2002.– 65 p.
17. Турик В. Н., Бабенко В. В., Воскобойник В. А.,
Воскобойник А. В. Вихревое движение в полусфе-
рической лунке на поверхности обтекаемой пла-
стины // Вiсн. НТУУ “КПI”. Машинобудування.–
2006.– 48.– С. 79–85.
18. Faure T. M., Adrianos P., Lusseyran F., Pastur L.
Visualizations of the flow inside an open cavity at
medium range Reynolds numbers // Exp. Fluids.–
2007.– 42.– P. 169–184.
19. Babenko V., Voskoboinick A., Voskoboinick V., Turi-
ck V. Vortex formation in a hemispherical cavity
on a streamlined flat surface // Abstr. V Int. Conf.
“Problems of Industrial Heat Engineering”.– Kyiv:
IET NASU, 2007.– P. 29–30.
20. Исаев С. А., Леонтьев А. И., Кикнадзе Г. И., Ку-
дрявцева Н. А., Гачечиладзе И. А. Сравнительный
анализ вихревого теплообмена при турбулентном
обтекании сферической лунки и двумерной тран-
шеи на плоской стенке // ИФЖ.– 2005.– 78, N 4.–
С. 117–128.
21. Dybenko J., Savory E. An experimental investigati-
on of turbulent boundary layer flow over surface-
mounted circular cavities // CSME Forum 2006.–
Kananaskis, Calgary, Canada, 2006.– P. 1–11.
22. Khalatov A. A., Byerley A., Ochoa D., Min S.-K., Vi-
nsent R. Application of advanced techniques to study
fluid flow and heat transfer within and downstream
of a single dimple // Proc. 5-th Minsk Int. Heat and
Mass Transfer Forum.– Minsk, Belarus, 2004.– P. 1–
20.
23. Афанасьев В. Р., Веселкин В. Ю., Леонтьев А. И.
и др. Гидродинамика и теплообмен при обтекании
одиночных углублений на исходно гладкой поверх-
ности: Препр. МГТУ им. Н. Э. Баумана N 2-91.
Ч. I.– М.: Изд-во МГТУ, 1991.– 56 с.
24. Терехов В. И., Калинина С. В., Мшвидоба-
дзе Ю. М. Экспериментальное исследование ра-
звития течения в канале с полусферической кавер-
ной // Сиб. физ.-тех. ж.– 1992.– N 1.– С. 77–85.
25. Colonius T., Basu A. J., Rowley C. W. Numerical
investigation of the flow past a cavity // AIAA Pap.
99-1912.– P. 1–9.
26. Rowley C. W., Williams D. R., Colonius T.,
Murray R. M., Macmynowski D. G. Linear models for
control of cavity flow oscillations // J. Fluid Mech.–
2006.– 547.– P. 317–330.
А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник 45
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 4. С. 36 – 46
27. Gharib M., Roshko A. The effect of flow oscillati-
ons on cavity drag // J. Fluid Mech.– 1987.– 177.–
P. 501–530.
28. Kerschen E. J., Alvarez J. O., Tumin A. A theoretical
model for resonances in flow past a cavity // 21-nd
ICTAM.– Warsaw, Poland, 2004.– P. 1–2.
29. Rockwell D., Lin J.-C., Oshkai P., Reiss M.,
Pollack M. Shallow cavity flow tone experiments
onset of locked-on states // J. Fluids Struct.– 2003.–
17.– P. 381–414.
30. Samimy M., Debiasi M., Caraballo E., Serrani A.,
Yuan X., Little J., Myatt J. H. Feedback control of
subsonic cavity flows using reduced-order models //
J. Fluid Mech.– 2007.– 579.– P. 315–346.
46 А. В. Воскобойник, В. А. Воскобойник
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79746 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-7507 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:56:37Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут гідромеханіки НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. 2015-04-04T16:07:29Z 2015-04-04T16:07:29Z 2007 Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки / А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник // Акустичний вісник — 2007. —Т. 10, № 4. — С. 36-46. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 1028-7507 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79746 532.517 Экспериментально изучена генерация резонансных мод осцилляций, обусловленных взаимодействием гидродинамических и гидроакустических явлений внутри трехмерной полусферической лунки. Приведены результаты визуальных исследований особенностей вихревого движения как в лунке, так и в ее окрестности. В зависимости от режима течения, обнаружены симметричные и асимметричные крупномасштабные вихревые системы внутри лунки. Указаны местоположение и периодичность их выброса наружу. Термоанемометрические измерения профилей средних значений и пульсаций продольной скорости и поперечной завихренности показали наличие областей ускорения и торможения вихревого потока, зон возвратного и циркуляционного течения внутри трехмерной лунки. В спектрах пульсаций скорости обнаружены дискретные высокодобротные пики в четырех частотных диапазонах. Они соответствуют частоте вращения вихревых систем внутри лунки; частоте их выбросов наружу; частоте следовой моды колебания вихревого движения в лунке, обусловленной гидродинамическим резонансом, и частоте автоколебаний внутри углубления, создающих вторую моду Розитэ (последние отвечают гидроакустическому резонансу). Указаны форма и размеры квазиустойчивых крупномасштабных вихревых структур, области их зарождения и этапы развития. Експериментально вивчено генерацію резонансних мод осциляцій, обумовлених взаємодією гідродинамічних та гідроакустичних явищ усередині тривимірної напівсферичної лунки. Наведені результати візуальних досліджень особливостей вихрового руху як у лунці, так і в її околі. В залежності від режиму течії, знайдені симетричні й асиметричні великомасштабні вихрові системи всередині лунки. Вказані місцезнаходження й періодичність їх викиду назовні. Термоанемометричні вимірювання профілів середніх значень і пульсацій повздовжньої швидкості й поперечної завихореності показали наявність областей прискорення і гальмування вихрового потоку, зони зворотної й циркуляційної течії всередині тривимірної лунки. У спектрах пульсацій швидкості знайдені дискретні високодобротні піки у чотирьох частотних діапазонах. Вони відповідають частоті обертання вихрових систем усередині лунки; частоті їх викидів з неї; частоті слідової моди коливання вихрового руху в лунці, обумовленої гідродинамічним резонансом, і частоті автоколивань всередині заглиблення, які створюють другу моду Розіте (останні відповідають гідроакустичному резонансу). Вказані форма й розміри квазістійких великомасштабних вихрових структур, області їхнього зародження й етапи розвитку. The paper deals with experimental studying of generation of resonant oscillation modes caused by interaction of hydrodynamic and hydroacoustic phenomena inside the three-dimensional hemispherical cavity. The results of visual investigation of vortical motion features are presented both for the cavity inside, and its vicinity. Depending on flow regime, the symmetric and asymmetric large-scale vortex systems are found inside the cavity. Their location and periodicity of separation are pointed out. The hot-wire measurements of mean value and fluctuations of streamwise velocity and crosswise vorticity profiles show the existence of regions of acceleration and deceleration of the vortex flow, zones of the reverse and circulating flows inside the three-dimensional cavity. The discrete high-quality peaks in four frequency ranges are found in the spectra of velocity fluctuations. They correspond to rotating frequency of vortex systems inside the cavity; their separation frequency; wake mode frequency of oscillations of cavity vortical motion, caused by a hydrodynamic resonance, and self-oscillation frequency inside the cavity, that forms the second Rossiter shear layer mode of self-sustained oscillations (the letter correspond to a hydroacoustic resonance). Form and sizes of quasi-stable large-scale vortex structures, regions of their origin and development stages are pointed out. Авторы признательны проф., докт. техн. наук
 В. В. Бабенко и доц., канд. техн. наук. В. Н. Турику за активное участие при подготовке и проведении экспериментальных исследований и за ценные
 указания при анализе и обсуждении результатов
 работы. ru Інститут гідромеханіки НАН України Акустичний вісник Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки Sources of resonance modes of oscillations inside the streamlined hemispherical cavity Article published earlier |
| spellingShingle | Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. |
| title | Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки |
| title_alt | Sources of resonance modes of oscillations inside the streamlined hemispherical cavity |
| title_full | Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки |
| title_fullStr | Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки |
| title_full_unstemmed | Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки |
| title_short | Источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки |
| title_sort | источники резонансных мод осцилляций внутри обтекаемой полусферической лунки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79746 |
| work_keys_str_mv | AT voskoboinikav istočnikirezonansnyhmodoscillâciivnutriobtekaemoipolusferičeskoilunki AT voskoboinikva istočnikirezonansnyhmodoscillâciivnutriobtekaemoipolusferičeskoilunki AT voskoboinikav sourcesofresonancemodesofoscillationsinsidethestreamlinedhemisphericalcavity AT voskoboinikva sourcesofresonancemodesofoscillationsinsidethestreamlinedhemisphericalcavity |