Numerical Simulation of Tollmien-Schlichting Wave Generation by Flow Turbulence

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The disturbances generated by external turbulence in the shear layer on a flat plate suddenly set in motion are found. As the initial conditions, turbulent flow found using direct numerical simulation of the development of isotropic homogeneous turbulence is used. The solution obtained models laminar-turbulent transition in the boundary layer on a flat plate under relatively low free-stream turbulence when the transition is caused by Tollmien-Schlichting waves. The solution makes it possible to describe the process of generating various disturbances, namely, low-frequency streaky structures and instability waves and also their development in the initial stage of laminar-turbulent transition. Based on the processing of the obtained results, a simple model is proposed that relates the spectra of instability waves in the boundary layer and turbulent pulsations in free-stream flow. The dependences of the initial amplitude of instability waves and their critical amplification factors (N-factors) on the degree of flow turbulence are also obtained.

About the authors

M. V. Ustinov

Zhukovski Central Aerohydrodynamic Institute (TsAGI); Moscow Institute of Physics and Technology (MPhTI)

Author for correspondence.
Email: umax1961@gmail.com
Russian Federation, Zhukovsky, Moscow oblast; Dolgoprudny, Moscow oblast

References

  1. Ustinov M.V., Kachanov Y.S Comparison of amplitude method of roughness-induced swept-wing transition prediction with experiment // Physics of Fluids. 2021. V. 33 (9). 094105.
  2. Чувахов П.В., Федоров А.В. Статистическая модель начальной стадии ламинарно-турбулентного перехода, вызванного атмосферными микрочастицами// Тез.докл. 13 Всероссийский съезд по проблемам теоретической и прикладной механики, Санкт-Петербург, 21–25 августа 2023 г.
  3. Goldstein M.E. The evolution of Tollmien–Schlichting waves near the leading edge//J. Fluid Mech. 1983. V.127. P. 59–81.
  4. Качанов Ю.С., Козлов В.В., Левченко В.Я. Возникновение волны Толлмина–Шлихтинга в пограничном слое при воздействии внешних возмущений//Изв. АН СССР. МЖГ. 1978. С. 85–94.
  5. Жигулев В.Н, Федоров А.В. Исследованиевозбуждения волн Толлмина–Шлихтинга. Препринт СО АН СССР, 1982. С 27–33.
  6. Жигулев В.Н., Тумин А.М. Возникновение турбулентности. Динамическая теория возбуждения и развития неустойчивостей в пограничных слоях. Новосибирск: Наука, 1987. 280 с.
  7. Устинов М.В. Генерация волн Толлмина–Шлихтинга турбулентностью потока// Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 4. С. 58–72
  8. Mack L.M. Transition prediction and linear stability theory // AGARD Conf. proc. CP-224. 1977. P. 1/1–22.
  9. Parekh D.E., Pulin P., Wlezin R.W. Boundary layer receptivity to convected gusts and sound //Boundary Layer Stability and Transition to Turbulence FED-114/ Ed. C.L. Reda et al. N.Y.: ASME, 1991. P. 69–76.
  10. Buter T.A., Reed H.L. Numerical investigations of receptivity to freestream vorticity // AIAA Paper.1993. № 93–0073.
  11. Leib S.J., Wundrow D.W., Goldstein M.E. Effects of free-stream turbulence and other vortical disturbances on a laminar boundary layer // J. Fluid Mech. 1999. V. 380. P. 169–203.
  12. Устинов М.В. Восприимчивость пограничного слоя на плоской пластине к турбулентности набегающего потока//Изв. РАН МЖГ. 2003. № 3. С. 56–68
  13. Устинов М.В. Численное моделирование развития полосчатой структуры в пограничном слое при повышенной степени турбулентности потока//Изв. РАН МЖГ. 2004. № 2. С. 103–119
  14. Rozhdestvensky B.L., Simakin I.N. Secondary flows in a plane channel: their relationship and comparison with turbulent flows// J. Fluid Mech.1987. P. 261–289.
  15. Гуляев А.Н., Козлов В.Е., Кузнецов В.Р. Проникновение трехмерных низкочастотных пульсаций скорости внешнего потока в ламинарный пограничный слой на плоской пластине// Труды ЦИАМ.1991. № 1287.С. 197–236.
  16. Устинов М.В. Численное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при повышенной степени турбулентности потока//Изв. РАН МЖГ. 2006. № 6. С. 77–93
  17. Рождественский Б.Л., Стойнов М.И. Алгоритмы интегрирования уравнений Навье–Стокса, имеющие аналоги законам сохранения массы, импульса и энергии. Препринт № 119 ИПМ им. М.В. Келдыша. 1987. 28 с.
  18. Устинов М.В. Исследование субгармонического перехода в плоском канале методом прямого численного моделирования// Изв. АНСССРМЖГ. 1993. № 3. C. 46–53
  19. Westin K.J.A., Boiko A.V., Klingmann B.G., Kozlov V.V., Alfredsson P.H. Experiments in a boundary layer subjected to freestream turbulence. Pt I: Boundary layer structure and receptivity// J. Fluid Mech. 1994. V. 281. P. 193–218.
  20. Matsubara M., Alfredsson P.H. Disturbance growth in boundary layers subjected to free-stream turbulence// J. Fluid Mech. 2001. V. 430. P. 149–168.
  21. Филиппов В.М. Экспериментальное исследование влияния градиента давления на переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный// Уч. зап. ЦАГИ. 1975.Т. 6. № 6. С. 114–118.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».