Течения жидких и газообразных сред
В полуэмпирической теории турбулентности проблема рассматривается упрощенно, поскольку изучаются не все статистические характеристики, а только самые важные для практики - в первую очередь средние скорости и средние значения квадратов и произведений пульсационных скоростей (так называемые моменты 1-го и 2-го порядков). Недостаток такого подхода прежде всего в том, что надо из эксперимента получать целый ряд данных для каждой группы конкретных условий: для тел разных форм при изучении следов, для различных конфигураций сопл, из которых истекают струи, и т. д. Кроме того, эта теория основана на стационарных подходах (развитие процесса во времени не рассматривается), что сужает ее возможности.
Развиваемая в данное время вихревая компьютерная концепция турбулентных следов и струй представляет собой замкнутую конструктивную математическую модель (ММ). Она основана на использовании всех достижений вихревой аэродинамики, завоеванных применением МДВ, для реализации тех современных представлений о турбулентности, о которых шла речь выше [1, 13]. Построение ММ ведется для больших чисел Re и базируется на трактовке свободной турбулентности как иерархии вихрей разного масштаба. При этом турбулентное движение рассматривается в общем случае как трехмерное и нестационарное.
Практическая реализация моделирования нестационарных струйных течений осуществляется методом дискретных вихрей. При этом непрерывная по пространству и времени модель заменяется ее дискретным аналогом. Дискретизация по времени состоит в том, что процесс полагается изменяющимся скачкообразно в моменты времени tn=nDt (n=1,2, .). Дискретизация по пространству заключается в замене непрерывных вихревых слоев гидродинамически замкнутыми системами вихревых элементов (вихревых нитей или рамок). Важен также учет в ММ того обстоятельства, что свободные вихри движутся со скоростями жидких частиц, причем число их со временем возрастает.
Указанный подход к моделированию течений позволяет без привлечения дополнительной эмпирической информации исследовать общий характер развития процесса во времени. ММ, созданные на базе МДВ, описывают все главные черты развития турбулентных следов, струй и отрывных течений, включая переход от детерминированных процессов к хаосу. Они позволяют также рассчитывать статистические характеристики турбулентности (моменты 1-го и 2-го порядков).
Главное внимание здесь уделено компьютерному расчету обтекания тел, построению ближних участков следов и струй. Большой материал, накопленный учёными в этой области, включает не только прямые сопоставления расчета с экспериментом, но и проверку ММ на выполнение универсальных законов Колмогорова-Обухова развитой турбулентности, которые, таким образом, играют роль независимых тестов [2, 9, 11-14]. Численный эксперимент в сочетании с физическим и комплексный анализ результатов привели к следующим выводам [8].
Основные черты и макроэффекты отрывного обтекания тел при больших числах Re, в том числе ближний след и его характеристики, при известных местах отрыва потока (на острых кромках, изломах, срезах тел и т. д.), а также в струях не зависят от вязкости среды; они определяются инерционным взаимодействием в жидкостях и газах, которые описывают нестационарные уравнения идеальной cреды.
Дальнейший анализ показал, что в ряде задач необходимо учитывать и вязкие отрывы, особенно на поверхности гладких тел (таких, как круговые и эллиптические цилиндры). Поэтому следующий шаг в развитии данной концепции состоял в том, что нестационарные модели идеальной среды были дополнены нестационарными уравнениями пограничного слоя для определения места отрыва [6].
Таким образом, была обоснована и осуществлена смена приоритетов: на первый план вышла не вязкость среды, а нестационарные явления.
Основополагающая работа Жуковского "О присоединенных вихрях" была опубликована в 1906 г. Современность выдвинула новые проблемы, а компьютерные технологии расширили области применимости теоретических методов. Классические идеи Жуковского переживают ныне вторую молодость, открывая новые возможности теории идеальной среды и вихревых методов.
Важно подчеркнуть, что в природе вихревые течения и хаос живут бок о бок, становясь прародителями турбулентности. Вращение жидких объемов порождает неустойчивость, а также появление и распад регулярных структур, что ведет к образованию новых вихрей и развитию хаоса.
Некоторые результаты
На рис. 1 и 2 приведены примеры когерентных вихревых структур, полученных расчетным путем на компьютерах. Такое название получили крупномасштабные, в той или иной степени упорядоченные вихревые структуры, образующиеся в вихревых следах и струях. В последние годы им стали уделять большое внимание, установив, что они играют существенную роль в явлениях турбулентности [1, 10, 11, 13].
Рис.1 
Рис.2
Одной из классических задач является задача об отрывном обтекании пластины, поставленной перпендикулярно набегающему потоку. Если угодно, это модель обтекания запруды, установленной поперек ручья. Еще в начале столетия Карман, постулируя наличие вихревой дорожки с шахматным расположением точечных дискретных вихрей, нашел соотношение между шириной дорожки h и продольным расстоянием между вихрями l:
h/l=0.28. (2)
Однако в 30-х годах в работах Н. Е. Кочина, В. В. Голубева и др. было показано, что вывод этого уравнения по теории возмущений (в предположении устойчивости дорожки) некорректен. Оказалось, что устойчивость сохраняется только при частном виде возмущений. С другой стороны, эксперименты подтверждали соотношение (2).
Только в 70-х годах удалось разгадать этот парадокс [2]. Допуская сход свободных вихрей с кромок пластин (иначе скорости обращаются здесь в бесконечность) и решая нестационарную отрывную задачу с помощью МДВ, мы пришли к картине, изображенной на рис. 1. При этом объемные вихревые сгустки хотя и деформируются, но расстояния между их центрами соответствуют формуле (2). На рис. 2 изображены мгновенные картины крупномасштабных вихревых образований в плоской турбулентной струе, истекающей с начальной скоростью u0 из канала ширины 2r. Безразмерное время t введено по формуле t=u0t/r. Каждая из замкнутых кривых соответствует сгустку завихренностей одного знака (или с явным преобладанием вихрей одного направления вращения). С помощью МДВ процесс моделировался от начала истечения (t=0). Границы струи заменялись дискретными вихрями, которые теряли устойчивость и, наряду со средней регулярной скоростью, приобретали флуктуации.