The paper provides an overview of the studies carried out at the Institute of Mechanics, Lomonosov Moscow State University on the velocity disturbance evolution that propagates in a submerged incompressible jet with an extended laminar region. The delay of the laminar-turbulent transition is ensured by the developed unique forming device. The first part of the study is devoted to the modal mechanism of disturbance growth in the jet flow. Thin rings oscillating at different frequencies were placed in the jet at a small distance from its beginning to enhance the growing eigenmodes of the jet. Good agreement is shown between the experimental and theoretically predicted wavelengths, radial distributions of velocity pulsations and modal disturbance amplification curves. The second part of the studies considered a non-modal (algebraic) mechanism of disturbance growth. To excite the algebraic growth of disturbances, special wave-like structures (deflectors) were introduced into the jet, which provide a "roller-like" transverse motion in the disturbed jet. The features of the transition to turbulence caused by this stationary disturbance are considered. Based on the obtained experimental results, a nonmodal mechanism of growth of introduced disturbances, similar to the "lift-up" mechanism in wall-bounded flows, is identified. The development of disturbances qualitatively corresponds to the theoretically obtained optimal disturbances of the flow under consideration. The third part of the paper presents the results of computational studies on the study of algebraic growth of disturbances in round submerged jets with the Mikhalke velocity profile. A parametric analysis of the optimal growth of spatial disturbances was conducted.
В статье приводится обзор работ, которые выполнялись в Институте механики МГУ по исследованию эволюции возмущений, распространяющихся в затопленной струе с протяженным ламинарным участком. Затягивание ламинарно-турбулентного перехода обеспечивается разработанным уникальным формирующим устройством. Первая часть исследований посвящена модальному механизму роста возмущений в рассматриваемом течении. Тонкие, осциллирующие на разных частотах кольца помещались в струю на небольшом расстоянии от её начала для усиления растущих собственных мод струи. Показано хорошее соответствие экспериментальных и теоретически предсказанных длин волн, радиальных распределений пульсаций скорости и кривых усиления модальных возмущений. Во второй части исследований рассматривался немодальный (алгебраический) механизм роста возмущений. Для возбуждения алгебраического роста возмущений в струю вводились специальные волнообразные структуры (дефлекторы), которые обеспечивают «валикообразное» поперечное движение в возмущенной струе. Рассмотрены особенности перехода к турбулентности, вызванные этим стационарным возмущением. На основании полученных экспериментальных результатов идентифицирован немодальный механизм роста вносимых возмущений, аналогичный «lift-up»-механизму в пристенных течениях. Развитие возмущений качественно соответствует полученным теоретически оптимальным возмущениям рассматриваемого течения. В третьей части представлены результаты расчетных исследований по исследованию алгебраического роста возмущений в круглых затопленных струях с профилем скорости Михалке. Проведен параметрический анализ оптимального роста пространственных возмущений.
1. Morris, P.J. The spatial viscous instability of axisymmetric jets // Journal of Fluid Mechanics. 1976. Vol. 77. P. 511–526. 2. Shtern, V., Hussain, F. Effect of deceleration on jet instability // Journal of Fluid Mechanics. 2003. Vol. 480. P. 283–309. 3. Мулляджанов Р.И., Яворский Н.И. Линейная гидродинамическая устойчивость дальнего поля затопленной ламинарной струи // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2018. Т. 11, № 3. С. 108–121. 4. Cohen, J., Wygnanski, I. The evolution of instabilities in the axisymmetric jet. Part 1. The linear growth of disturbances near the nozzle // J. Fluid Mech. 1987.Vol. 176. P. 191–219. 5. Petersen, R.A., Samet, M.M. On the preferred mode of jet instability // J. Fluid Mech. 1988. Vol. 194. P. 153–173. 6. Zayko, J., Teplovodskii, S., Chicherina, A., Vedeneev, V., Reshmin, A. Formation of free round jets with long laminar regions at large Reynolds numbers // Phys. Fluids. 2018. Vol. 30. 043603. 7. Gareev, L.R., Zayko, J.S., Chicherina, A.D., Trifonov, V.V., Reshmin, A.I., Vedeneev, V.V. Ex-perimental validation of inviscid linear stability theory applied to an axisymmetric jet // J. Fluid Mech. 2022. Vol. 934. A3. 8. Farrell, B.F., Ioannou, P.J. Optimal excitation of three-dimensional perturbations in viscous con-stant shear flow // Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1993. Vol. 5, no. 6. P. 1390–1400. 9. Andersson, P., Berggren, M., Henningson, D.S. Optimal disturbances and bypass transition in boundary layers // Phys. Fluids. 1999. Vol. 11. P. 134–150. 10. Tumin, A., Reshotko, E. Spatial theory of optimal disturbances in boundary layers // Phys. Fluids. 2001. Vol. 13. P. 2097–2104. 11. Luchini, P. Reynolds-number-independent instability of the boundary layer over a flat surface: op-timal perturbations // J. Fluid Mech. 2000. Vol. 404. P. 289–309. 12. Morkovin, M.V. Bypass transition to turbulence and research desiderata // NASA Conf. Publ. 1984. Vol. 2386. P. 161–204. 13. Kendall, J.M. Experimental study of disturbances produced in a pretransitional laminar boundary layer by weak free stream turbulence // In 18th Fluid Dynamics and Plasmadynamics and Lasers Conference. AIAA, 1985. no. 1695. 14. Косорыгин В.С., Поляков Н.Ф., Супрун Т.Т., Эпик Э.Я. Влияние турбулентности потока на структуру возмущений в ламинарном пограничном слое // Пристеночные турбулентные течения. г. Новосибирск: изд-во ИТФ СО АН СССР, 1984. С. 79–83. 15. Matsubara, M., Alfredsson, P.H. Disturbance growth in boundary layers subjected to free-stream turbulence // J. Fluid Mech. 2001. Vol. 430. P. 149–168. 16. Boiko, A.V., Grek, G.R., Dovgal, A.V., Kozlov, V.V. The Origin of Turbulence in Near-Wall Flows. Springer Berlin, Heidelberg, 2002. 268 p. 17. Boronin, S. A., Healey, J. J., Sazhin, S. S. Non-modal stability of round viscous jets // J. Fluid Mech. 2013. Vol. 716. P. 96–119. 18. Jimenez-Gonzalez, J.I., Brancher, P., Martinez-Bazan, C. Modal and nonmodal evolution of pertur-bations for parallel round jets // Phys. Fluids. 2015. Vol. 27, no. 4. 044105. 19. Wang, C., Lesshafft, L., Cavalieri, A.V., Jordan, P. The effect of streaks on the instability of jets // J. Fluid Mech. 2021. Vol. 910. A14. 20. Ashurov, D.A. Optimal disturbances in round submerged jets // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36. 104118. 21. Гареев Л.Р., Иванов О.О., Веденеев В.В., Ашуров Д.А. Влияние амплитуды вносимого стационарного возмущения на его немодальный рост в ламинарной затопленной струе // ПМТФ. 2024. Т. 65, № 1. С. 70–74. 22. Ivanov, O.O., Ashurov, D.A., Gareev, L.R., Vedeneev, V.V. Non-modal perturbation growth in a laminar jet: an experimental study // J. Fluid Mech. 2023. Vol. 963. A8. 23. Vedeneev, V., Zayko, J. On absolute instability of free jets // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 1129. no. 012037. 24. Vedeneev, V.V., Nikitin, N.V. Absolute instability of plane incompressible jets // J. Fluid Mech. 2023. Vol. 962. A4. 25. Абдульманов, К. Э., Никитин Н. В. Развитие возмущений в круглой затопленной струе с двумя модами неустойчивости // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 5. С. 25–40. 26. Спасова А. А., Зайко Ю. С. Разработка алгоритма формирования затопленной струи с заданными характеристиками профиля скорости // ПМТФ. 2023. Т. 64, №. 4. С. 67–75. 27. Michalke, A. Survey on jet instability theory // Progress in Aerospace Sciences. 1984. Vol. 21. P. 159–199.
