АЛЬБОМ ТЕЧЕНИЙ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

6. Турбулентность

151. Дальний турбулентный след за пулей.

Пуля, выстреленная в атмосферу со сверхзвуковой скоростью, находится слева от места выстрела на удалении нескольких сот диаметров следа. Эта быстро экспонированная теневая фотография демонстрирует замечательную резкость нерегулярной границы между сильно турбулентным следом за пулей и почти неподвижным воздухом во внешней безвихревой области. Фото сделано в Ballistic Research Laboratories, Aberdeen Proving Ground. [Corrsin, Kistler, 1954]

152. Порождение турбулентности решеткой.

Дымовые проволочки демонстрируют прохождение однородного ламинарного потока через пластинку толщиной 1/16 дюйма с квадратными перфорациями размером 3/4 дюйма. Число Рейнольдса, рассчитанное по однодюймовому размеру ячейки решетки, равно 1500. Неустойчивость сдвиговых слоев приводит к развитию турбулентности вниз по потоку. Фото Thomas Corke, Hassan Nagib

153. Однородная турбулентность за решеткой.

За решеткой более частой, чем на предыдущем снимке, сливающиеся неустойчивые следы быстро образуют однородное поле. По мере затухания вниз по потоку это поле становится полезным приближением идеализированной модели изотропной турбулентности. Фото Thomas Corke, Hassan Nagib

154. Растяжение материальных линий изотропной турбулентностью.

Тонкая платиновая проволочка, видимая слева, протянута поперек гидродинамической трубы на расстоянии 18 размеров ячейки за турбулизирующей решеткой. Число Рейнольдса, рассчитанное по диаметру стержня решетки, равно 1360. Периодические электрические импульсы порождают двойные линии водородных пузырьков, растягивающиеся и сморщивающиеся (образующие складки) по мере того, как они переносятся вниз по потоку. [Corrsin, Karweit, 1969]

155. Сморщивание жидкой поверхности изотропной турбулентностью.

Здесь платиновая проволочка порождает непрерывную пелену водородных пузырьков. Она деформируется под влиянием почти изотропной турбулентности за решеткой. Считается, что более яркие линии соответствуют тем местам, где пелена видна со стороны гребня складки. Фото М. J. Karweit, М. S. E. Thesis, Университет Джона Гопкинса, 1968

156. Сравнение ламинарного и турбулентного пограничных слоев.

Ламинарный пограничный слой, показанный на верхнем снимке, отрывается на вершине выпуклой поверхности (ср. с фото 38), тогда как турбулентный слой, показанный на нижнем снимке верхней пары, остается присоединенным; аналогичное поведение демонстрируется на двух снимках внизу для случая обтекания поверхности с ребром (ср. с фото 55-58, где изображено обтекание шара). Четыреххлористый титан нанесен на переднюю часть модели в аэродинамической трубе. [Head, 1982]

157. Турбулентный пограничный слой, вид сбоку.

Здесь турбулентный пограничный слой развивается естественным образом на плоской пластинке длиной 3,3 м, подвешенной в аэродинамической трубе. Линии меченых частиц, идущие от дымовой проволочки, поставленной вблизи острой передней кромки, освещаются вертикальным световым ножом. Число Рейнольдса, рассчитанное по толщине потери импульса, равно 3500. Хорошо видна перемежающаяся структура слоя в его внешней части. Фото Thomas Corke, Y. Guezennec, Hassan Nagib

158. Турбулентный пограничный слой на стенке.

Туман из мелких капелек масла введен внутрь ламинарного пограничного слоя через пол рабочей части аэродинамической трубы, после чего слой искусственно турбулизуется. Вертикальный световой нож демонстрирует структуру течения на расстоянии 5,8 м вниз по потоку, где число Рейнольдса, рассчитанное по толщине потери импульса, равно примерно 4000. [Falco, 1977]

159. Подслой турбулентного пограничного слоя.

Взвесь алюминиевых частиц в потоке воды позволяет видеть полоски (области ускоренного и замедленного движений) внутри подслоя турбулентного пограничного слоя на плоской пластинке. Зеркало используется для одновременного получения вида сбоку. [Cantwell, Coles, Dimotakis, 1978]

160. Деталь подслоя.

Снятый крупным планом дым в турбулентном пограничном слое на полу аэродинамической трубы обнаруживает “карманы” и полоски в вязком подслое. [Falco, 1980]

161. Структура турбулентного пограничного слоя.

Последовательные срезы картины течения вблизи плоской пластинки в гидродинамической трубе визуализируются с помощью мелких водородных пузырьков, испускаемых периодически тонкой платиновой проволочкой, видимой слева. Безразмерная высота y⁺=yu_t/v расположения проволочки над пластинкой представлена через “переменные стенки”, где u_t=(t_w/r)^1/2 - cкopocть трения. Характерные полоски, соответствующие малым и высоким скоростям, ясно видимые в вязком подслое при y⁺=2,7, становятся менее заметными дальше от поверхности и исчезают в логарифмической области при y⁺=101. Видно, что в области следа, при y⁺=407, турбулентность имеет перемежающийся характер и больший масштаб. [Kline, Reynolds, Schraub, Runstadler, 1967]

162. “Типичный вихрь” в турбулентном пограничном слое.

Масляный туман освещается лазерным световым ножом, чтобы показать сбоку нижние две трети турбулентного пограничного слоя. Структура типа вихревого кольца справа чуть ниже и правее центра снимка, напоминающая разрезанный и наклонившийся влево гриб, дает пример того, что Фалько назвал “типичным вихрем”. Его размеры соответствуют скорее пристеночному масштабу длины (фото 161), чем толщине пограничного слоя. Фото R. E. Falco

163. Косые поперечные сечения турбулентного пограничного слоя.

Течение рассматривается спереди и визуализируется дымом, освещаемым световым ножом, который имеет наклон 45º вниз по потоку от стенки (левые снимки) и 45º вверх по потоку (правые снимки). Число Рейнольдса, рассчитанное по толщине потери импульса, равно 600 для верхней пары снимков и 9400-для нижней. [Head, Bandyopadhyay, 1981]

164. Эффекты сильных градиентов давления.

При сильном благоприятном градиенте давления (верхний снимок) турбулентный пограничный слой растягивается и в конечном итоге реламинаризуется; при сильном обратном градиенте (нижний снимок) слой утолщается и отрывается. Фото R. Е. Falco. [Head, 1982]

165. Турбулентный пограничный слой, набегающий на цилиндр.

Когда турбулентный пограничный слой обтекает круговой цилиндр, установленный нормально к стенке, вихри во внешней области подвергаются быстрому искажению, а в области отрыва образуется перемежающаяся обратная струя. На фото 92 показано аналогичное течение с ламинарным пограничным слоем. Фото R. Е. Falco

166. Турбулентная струя воды.

Индуцированная лазером флуоресценция показывает картину внедрения жидкой струи в окружающую жидкость в плоскости симметрии осесимметричной водяной струи, направляемой сверху вниз в воду. Число Рейнольдса равно приблизительно 2300. Пространственная разрешающая способность достаточна, чтобы выявить колмогоровский масштаб в нижней половине снимка. [Dimotakis, Lye, Pаpantoniou, 1981]

167 Дозвуковая струя, становящаяся турбулентной.

Струя воздуха из сопла диаметром 5 см вытекает в окружающий воздух со скоростью 12 м/с. Ламинарная поверхность раздела становится неустойчивой, как и на фото 102, и в конечном итоге вся струя становится турбулентной. [Bradshaw, Ferriss, Johnson, 1964]

168. Сверхзвуковая струя, становящаяся турбулентной.

При числе Маха 1,8 слегка перерасширенная круглая струя воздуха приспосабливается к окружающему воздуху через последовательность косых и прямых ударных волн. Следы структуры с бриллиантообразными формами сохраняются и после того, как струя становится турбулентной. [Oertel, 1975]

169. Захват жидкости плоской турбулентной струей.

Длительная выдержка при съемке позволяет видеть осредненное течение для случая плоской струи подкрашенной воды, вытекающей в неподвижную воду со скоростью 100 см/с. Мелкие пузырьки воздуха маркируют линии тока медленного движения, индуцируемого струей в окружающей воде. Фото ONERA. [Werle, 1974]

170. Захват жидкости осесимметричной турбулентной струей.

Турбулентная струя подкрашенной воды вытекает из трубы диаметром 9 мм при скорости 200 см/с. В согласии с теорией пограничного слоя линии тока, маркируемые воздушными пузырьками в воде вне струи, представляют собой параболоиды вращения или параболы в плоском случае, показанном на предыдущем снимке. Фото ONERA. [Werle, 1974]

171. Плоская турбулентная струя, истекающая через щель в стенке.

Струя чистой воды, вытекающей со скоростью 30 м/с через длинную щель в стенке, первоначально ламинарна. После перехода к турбулентности сама струя становится примерно такой же, как на фото 169, однако течение в окружающей воде из-за наличия стенки оказывается совершенно иным. Фото ONERA. [Werle, 1974]

172. След за наклонной плоской пластинкой.

След за пластинкой, обтекаемой под углом атаки 45º, турбулентен при числе Рейнольдса 4300. Алюминиевые хлопья, взвешенные в воде, выявляют характерную извилистую форму этого следа. [Cantwell, 1981]. Воспроизведено с разрешения из Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 13, © 1981 by Annual Reviews Inc.

173. След за танкером, севшим на мель.

Танкер “Argo Merchant” в 1976 г. сел на мель вблизи Нантакета. Вытекающая из него сырая нефть позволяет видеть, что судно оказалось наклоненным к морскому течению под углом 45º. Хотя число Рейнольдса равно примерно 10⁷, однако структура следа удивительно похожа на то, что показано на предыдущем снимке. Фото NASA, любезно предоставлено О. М. Griffin, Naval Research Laboratory

174. Турбулентный след за цилиндром.

Лазерный световой нож прорезает след за круговым цилиндром при числе Рейнольдса 1770. Масляный туман демонстрирует мгновенную структуру течения, охватывая поле в 40 диаметров цилиндра по обе стороны от сечения, отстоящего на 50 диаметров вниз по потоку. Фото R. E. Falco

175. Отрывное течение в диффузоре.

Проволочка, импульсивно выпускающая водородные пузырьки, протянута поперек диффузора в воде. Виден турбулентный пограничный слой, присоединенный к верхней стенке; на нижней стенке имеет место отрыв и возникает рециркуляционная зона. [Kline, 1963]

176. Крупномасштабная структура в турбулентном слое смешения.

Азот, находящийся сверху и текущий со скоростью 1000 см/с, перемешивается под давлением 4 атм со смесью аргон-гелий, находящейся снизу, имеющей ту же плотность и текущей со скоростью 380 см/с. Сделанная искровым методом теневая фотография показывает одновременно течение в плане и сбоку, демонстрируя пространственную структуру больших вихрей. Полоски, вытянутые вдоль потока, на фотографии течения в плане (здесь показана лишь половина снимка в ширину) соответствуют системе вторичных вихревых пар, ориентированных в направлении по потоку. Расстояние между ними в части слоя, расположенной вниз по потоку, больше, чем вблизи начала. Фото J. H. Konrad, Ph. D. Thesis, Калифорнийский технологический институт, 1976

177. Когерентная структура при большем числе Рейнольдса.

Течение аналогично показанному на предыдущем снимке, но соответствует вдвое большему давлению. Увеличение числа Рейнольдса вдвое приводит к росту числа мелкомасштабных структур без существенного изменения крупномасштабной структуры. М. R. Rebollo, P. D. Thesis, Калифорнийский технологический институт, 1976. [Brown, Roshko, 1974]

178. Спаривание вихрей в слое смешения.

Последовательность теневых фотографий демонстрирует смешение двух потоков одинаковой плотности под давлением 8 атм и при числе Рейнольдса 850000. Азот течет со скоростью 10 м/с над смесью гелий-аргон, движущейся со скоростью 3,5 м/с. Справа на кадрах виден датчик. Два разных вихря, видные на верхнем снимке, спариваются в центре третьего вихря и превращаются в один большой вихрь на нижнем снимке. Фото L. Веrnа1, G. L. Brown, A. Roshko. [Roshko, 1976]