ПУЛЬСАЦІЇ ШВИДКОСТІ ТА ПРИСТІННОГО ТИСКУ ТУРБУЛЕНТНОГО ПРИМЕЖОВОГО ШАРУ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2222-0631.2022.01.06Ключові слова:
поле швидкості, пульсації пристінного тиску, турбулентний примежовий шар, когерентні вихрові структури, кореляція, спектрАнотація
Приведені результати дослідження поля пульсацій швидкості та пристінного тиску турбулентного примежового шару, який утворено на гнучкому видовженому циліндрі і гідравлічно гладкій пласкій пластині. Показані особливості взаємодії поля швидкості та тиску у примежовому шарі, охарактеризовані звукові і псевдозвукові джерела гідродинамічного шуму. Проаналізовано інтегральні, кореляційні і спектральні характеристики поля пульсацій швидкості та пристінного тиску у турбулентному примежовому шарі. Показано взаємозв’язок між цими статистичними характеристиками, а також вказано механізми та джерела, які впливають на поведінку цих характеристик. Відмічено, що у турбулентному примежовому шарі формуються великомасштабні вихрові структури і дрібномасштабні вихори, які утворюють зовнішню та внутрішню область примежового шару. Встановлено, що великомасштабні вихрові структури генерують пульсації тиску, які мають закон розподілення густини ймовірностей, близький до гаусівського закону, а дрібномасштабні вихори, які генерують високочастотні або низькохвильові пульсації, мають закон розподілення щільності ймовірностей пульсацій, відмінний від нормального закону. Взаємодія когерентних вихрових структур між собою та з обтічною поверхнею призводить до зміни інтегральних, кореляційних і спектральних характеристик полів швидкості та тиску. Відмічено, що зі збільшенням відстані між датчиками пульсацій тиску корельованість сигналів зменшується, а час затримки корельованих сигналів збільшується. Таким чином, зі збільшенням відстані між вимірювальними точками корельованими пульсаціями є ті, які генеруються великомасштабними вихровими структурами. Визначено, що найбільші рівні пульсацій швидкості та тиску генерують великомасштабні вихрові структури, які мають найбільшу когерентність. Отримані результати дали можливість охарактеризувати когерентні вихрові структури, їх особливості формування, місця зародження, масштаби, напрямки і швидкості переносу.
Посилання
Chong M. S., Perry A. E., Cantwell B. J. A general classification of three-dimensional flow fields. Phys. Fluids. 1990, vol. 2, pp. 765–777. https:// doi.org/10.1063/1.857730.
Brooke J. W., Hanratty T. J. Origin of turbulence-producing eddies in a channel flow. Phys. Fluids. 1993, vol. 5, no. 4, pp. 1011–1022. DOI : 10.1063/1.858666.
Abreu L. I., Cavalieri A. V. G., Schlatter P., Vinuesa R., Henningson D. S. Resolvent modelling of near-wall coherent structures in turbulent channel flow. Intern. J. Heat and Fluid Flow. 2020, vol. 85, article id 108662. DOI : 10.1016/j.ijheatfluidflow.2020.108662.
Voskoboinick V. A., Voskoboinick A. A., Turick V. N., Voskoboinick A. V. Space and time characteristics of the velocity and pressure fields of the fluid flow inside a hemispherical dimple generator of vortices. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2020, vol. 93, no. 5, pp. 1205–1220. DOI : 10.1007/s10891-020-02223-3.
Joseph L. A., Molinaro N. J., Devenport W. J., Meyers T. W. Characteristics of the pressure fluctuations generated in turbulent boundary layers over rough surfaces. J. Fluid Mech.. 2020, vol. 883, A3. DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2019.813.
Kida S., Miura H. Identification and analysis of vortical structures? Eur. J. Mech. B-Fluids. 1998, vol. 17, pp. 471–488. DOI : https://doi.org/ 10.1016/S0997-7546(98)80005-8.
Blokhintsev D. I. Acoustics of an inhomogeneous moving medium. Moscow, Nauka Publ., 1981. 208 p.
Voskoboinick V. A., Grinchenko V. T., Makarenkov A. P. Pseudo-sound behind an obstacle on a cylinder in axial flow. Intern. J. Fluid Mech. Res.. 2005, vol. 32, no. 4, pp. 488–510.
Blake W. K. Mechanics of flow-induced sound and vibration: in 2 Vol. NY, Academic Press Publ., 2017. 1196 p.
Bull M. K. Wall-pressure fluctuations beneath turbulent boundary layers: Some reflections on forty years of research. J. Sound Vibr.. 1996, vol. 190, pp. 299–315.
Anantharamu S., Mahesh K. Analysis of wall-pressure fluctuation sources from direct numerical simulation of turbulent channel flow. J. Fluid Mech.. 2020, vol. 898, A17. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.412.
Gerolymos G. A., Lo C., Senechal D., Vallet I. Fluctuating pressure correlations in wall turbulence. J. Fluid Mech. 2011, vol. 700, pp. 521-542.
Jovanovic J. The statistical dynamics of turbulence. Berlin, Springer Publ., 2004. 375 p.
Voskoboinick V., Kornev N., Turnow J. Study of near wall coherent flow structures on dimpled surfaces using unsteady pressure measurements. Flow Turbulence Combust.. 2013, vol. 90, no. 4, pp. 709–722.
Voskoboinick V. A., Turick V. N., Voskoboinyk O. A., Voskoboinick A. V., Tereshchenko I. A. Influence of the deep spherical dimple on the pressure field under the turbulent boundary layer. In: Hu Z., Petoukhov S., Dychka I., He M. (eds) Advances in Computer Science for Engineering and Education. ICCSEEA 2018. Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 754. Springer, Cham, 2019. pp. 23–32.
Voskoboinick V. A., Voskoboinick A. V., Areshkovych O. O., Voskoboinyk O. A. Pressure fluctuations on the scour surface before prismatic pier. Proc. 8th International Conference on Scour and Erosion (ICSE 2016) 12–15 September 2016. Oxford, UK, 2016. pp. 905–910.
Voskoboinick V. A., Makarenkov A. P. Spectral characteristics of the hydrodynamical noise in a longitudinal flow around a flexible cylinder. Intern. J. Fluid Mech. Res. 2004, vol. 31, no. 1, pp. 87–100.
Cheng C., Li W., Lozano-Duran A., Fan Y., Liu H. On the structure of streamwise wall-shear stress fluctuations in turbulent channel flows. J. Physics: Conf. Series. 2020, no. 1522, 012010.
Keller L. W., Friedmann A. A. Differentialgleihungen fur die turbulente Bewegung einer incompressible Flussigkeit. Proc. 1-st Int. Congr. Appl. Mech. Delft.,1924. 13 p.
Simmons L. F. G., Salter C. Experimental investigation and analysis of the velocity variations in turbulent flow. Proc. Roy. Soc., Ser. A. 1934, vol. 145, no. A854, pp. 212–234.
Smoliakov A. V., Tkachenko V. M. Izmerenie turbulentnykh pul'satsiy [Measurements of turbulent fluctuations]. Leningrad, Energy Publ., 1980. 264 p.
Blackwelder R. F., Kaplan R. E. On the wall structure of the turbulent boundary layer. J. Fluid Mech. 1976, vol. 76, pt. 1, pp. 89–112.
Schewe G. On the structure and resolution of wall pressure fluctuations associated with turbulent boundary layer flow. J. Fluid Mech. 1983, vol. 134, pp. 311–328.
Bendat J. S., Piersol A. G. Random Data: Analysis and Measurement Procedures. NY, John Willey & Sons Publ., 2010. 613 p.
Ventcel Е. S., Оvcharov L. А. Teoriya sluchaynykh protsessov i eye inzhenernye prilozheniya [Theory of random processes and its engineering applications]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2000. 383 p.
Marpl-ju S. L. Tsyfrovoy spektral'nyy analiz i ego prilozheniya [Digital spectrum analysis and its applications]. Moscow, Mir Publ., 1990. 584 p.
Monin A. S., Yaglom A. M. Statisticheskaya gidromekhanika. Teoriya turbulentnosti. T. 1 [Statistical hydromechanics. Turbulence theory]. St. Petersburg, Hydrometeoizdat Publ., 1992. 696 p.
Vinogradnyi G. P., Voskoboinick V. A., Grinchenko V. T., Makarenkov A. P. Spectral and correlation characteristics of the turbulent boundary layer on an extended flexible cylinder. J. Fluid Dyn. 1989, vol. 24, no. 5, pp. 695–700.
Voskoboinick V. A., Grinchenko V. T., Makarenkov A. P. Correlation characteristics of a wall pressure fluctuation field in a turbulent boundary layer induced by a longitudinal flow along a flexible extended cylinder. Intern. J. Fluid Mech. Res. 2003, vol. 30, no. 6, pp. 644–650.
Kim J., Choi J.-I., Sung H. J. Relationship between wall pressure fluctuations and streamwise vortices in a turbulent boundary layer. Phys. Fluids. 2002, vol. 14, no. 2, pp. 898–901.
Thomas A. S. W., Bull M. K. On the role of wall-pressure fluctuations in deterministic motions in the turbulent boundary layer. J. Fluid Mech. 1983, vol. 128, pp. 283–322.
Bradshaw P. Inactive motion and pressure fluctuations in turbulent boundary layers. J. Fluid Mech. 1967, vol. 30, pp. 241–258.
