Численное определение областей существования двух типов взаимодействия ударных волн Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И

Том XXI 19 9 0

М 6

УДК 629.7.015.3.062.4

ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОГО И ПОПЕРЕЧНОГО ОРЕБРЕНИЯ ПЛОСКОЙ ПЛАСТИНЫ НА ЛАМИНАРНО-ТУРБУЛЕНТНЫЙ ПЕРЕХОД

И. А. Белов, Г. В. Енютин, В. М. Литейное

Приведены результаты экспериментального исследования влияния оребрения плоской пластины на ламинарно-турбулентный переход. Испытания проведены в широком диапазоне скоростей (6—43 м/с) на различных мелкоребристых поверхностях, отличающихся формой и геометрическими размерами ребер. Показано, что момент возникновения перехода зависит не только от геометрических параметров рифлений и режима обтекания, но и от ориентации ребер относительно направления набегающего потока.

Известно [1], что на состояние как ламинарного, так и турбулентного пограничного слоя большое влияние может оказывать шероховатость обтекаемой поверхности. Наличие шероховатости может приводить либо к более быстрому возникновению перехода, либо к увеличению сопротивления трения (на турбулентном участке течения)

мт Л

при достижении определенных значений числа Рейнольдса шероховатости Ие„=--------------,

V

составленного по высоте элемента шероховатости к и динамической скорости ит (V—коффициент кинематической вязкости).

К одному из разнообразных видов шероховатых поверхностей можно отнести и появившиеся в последнее время оребренные поверхности в форме неглубоких равномерно распределенных бороздок (риблетов). С помощью таких поверхностей была выявлена возможность влияния на структуру пограничного слоя, при которой достигается снижение сопротивления турбулентного трения. Экспериментальные исследования последних лет (2—6] показали, что применение оребренных поверхностей приводит к снижению турбулентного трения пластины на 8—10%. Положительное влияние оребрения связывают с таким изменением структуры пограничного слоя, при котором частота турбулентных выбросов уменьшается на 20—25%. При этом эффективность воздействия зависит в основном от высоты и расстояния между ребрами рифления, величины которых должны быть порядка размера вязкого подслоя.

Ниже приведены результаты экспериментального исследования влияния оребрения поверхности пластины на ламинарно-турбулентный переход и устойчивость течения в зависимости от формы и геометрических параметров ребер, а также от ориентации ребер рифления относительно набегающего потока.

1. Эксперйменты проводились в дозвуковой аэродинамической трубе с открытой рабочей частью, имеющей диаметр выходного сечения сопла 1,2 м и длину рабочей части 1,75 м. Скорость потока изменялась от 6 до 43 м/с, при этом уровень средне-

^3а«рыли к

а) <Г)

Рис. 1

Н*Я,0Ч*1>1; £*0,07*1»

Ь. =(!. Пня; •Г'Я Ш «м

.‘.лу >-?**« ; с <,< г-'М

д. квадратичных пульсаций скорости соста-

1 '* влял —0,3%. Исследования велись на

модели, представляющей собой плоскую металлическую пластину с хордой, равной 1 м, размахом 0,5 м и толщиной 0,02 м (см. рис. 1,а). Носок пластины длиной 0,25 м был выполнен в виде полуэллипса с соотношением полуосей Модель % 1:30. Модель была снабжена ограничи-

тельными боковыми шайбами, к которым крепился закрылок, располагавший^ ся над хвостовой частью пластины. Путем регулирования угла атаки закрылка обеспечивалось изменение статического давления по поверхности пластины. '•‘О^еньЗ В проведенных исследованиях мо-

дель устанавливалась под небольшим отрицательным углом атаки ~ 1°, а закрылок под углом атаки, равном 22°. В этих условиях распределение статического давления имело вид, представленный на рис. 1,6. Исследованные ребристые поверхности, имевшие в плане форму квадрата со стороной 0,285 м, размещались на пластине, начиная от места сопряжения носка с плоским участком {х=0,25 м). Обычно наклеивались последовательно две одинаковые поверхности так, что общая протяженность поверхности с рифлениями в направлении потока составляла 0,570 м (см. рис. 1,а). Хотя рифленые поверхности были изготовлены из листового металла толщиной

0,8 мм, но при их наклеивании обеспечивалось плавное сопряжение носка моде-Рис. 2 ли с вершинами ребер.

Были исследованы три модели мелкоребристых поверхностей, отличавшихся геометрией профиля ребер, высотой ребер к и расстоянием между ними 5. Фотографии моделей испытанных ребристых поверхностей, увеличенные в 25 раз, приведены на рис. 2. Форма профилей ребер у моделей / и 2 была близка к треугольной и характеризовалась величиной угла при вершине, равной 53°, и радиусом кривизны вершин ~ 0,005 мм. Ребра третьей модели поверхности имели форму асимметричного треугольника с углом при вершине 28° и радиусом кривизны —0,01 мм. Для сравнения результатов измерения, получаемых соответственно на рифленой и гладкой поверхностях, последняя формировалась путем заполнения рифлений консистентной

АЛАДД/

смазкой типа «литол» с последующим наложением на смазанную поверхность листа синтетической «контурной бумаги» толщиной 0,05 мм.

В процессе экспериментальных исследований, кроме описанных рифленых поверхностей, были проведены опыты на шероховатой поверхности, в качестве которой использовалась наждачная бумага ГОСТ 5009—75 с максимальной высотой зерен шероховатости 0,13 мм.

Измерение профилей средней скорости и интенсивности пульсаций скорости в пограничном слое, а также определение точки перехода ламинарного режима течения к турбулентному, осуществлялось с помощью термоанемометрической аппаратуры. Для определения положения перехода датчик тёрмоанемометра, установленный на высоте 0,5 мм от поверхности пластины, перемещался вдоль середины пластины с помощью дистанционно управляемого координатника. Координата х, при которой относительные среднеквадратичные пульсации скорости е достигали максимального значения принимались за точку перехода ламинарного слоя к турбулентному.

В качестве основного параметра, характеризующего влияние рифления на ламинарно-турбулентный переход, использовалось число Рейнольдса Re;., составленное

и h

по высоте ребер рифления h и скорости набегающего потока : Re* = - .

V

В литературе наиболее часто для характеристики шероховатости поверхности исполь-

т, u,h

зуется также и число Рейнольдса ReT==; _—, где и,— динамическая скорость.

V

При обтекании плоской пластины между указанными числами имеется простая зави-

D D 1 f D ^оо -Крифл _ „

симость: Ke, ~ Re* 1/ —--------где Кеж =----------———число Рейнольдса, при

V V Яех

определении которого за характерный размер взято расстояние *рИфл от носка пластины до места начала рифленого участка. В проведенном эксперименте общий диапазон изменения числа Reh составлял от 30 до 906. Это достигнуто за счет варьирования скорости набегающего потока (V„=6-f-43 м/с) и использования рифленых поверхностей с высотой ребер 0,04 мм, 0,17 мм и 0,5 мм.

2. На первом этапе исследований были сняты профили средней скорости и среднеквадратичных пульсаций скорости в различных сечениях ламинарного пограничного слоя на гладкой и оребренной пластинах и определен диапазон относительного изменения высоты ребер рифления h к толщине пограничного слоя 6. Установлено, что на начальном участке оребренной поверхности в сечении х=260 мм, увеличение скорости набегающего потока с 6 м/с до 43 м/с приводило к уменьшению толщины пограничного слоя с 3,6 мм до 1,2 мм. Таким образом, для первой модели оребренной поверхности диапазон изменения относительной высоты ребер составлял 0,01 0,02,

для второй — 0,04 -5- 0,09 и для третьей — 0,11 -f-0,25.

После предварительных измерений параметров течения на пластине были проведены подробные исследования по влиянию на ламинарно-турбулентный переход оребрения поверхности пластины при изменении относительной высоты и формы ребер, а также при изменении ориентации (продольной или поперечной) ребер относительно набегающего потока. Результаты эксперимента приведены на рис. 3 и 4. На рис. 3, а, б проиллюстрировано поведение среднеквадратичных относительных пульсаций скорости е при обтекании гладкой пластины и пластины с оребрением соответственно при числе Рейнольдса Re*=270 и 712. На рис. 3,а видно, что при числе Re»=270, поперечное оребрение пластины не влияет на положение перехода, а продольное — приводит к смещению перехода вверх по течению. Однако при числе Reh = =712 (рис. 3, б) влияние на переход наблюдается как при поперечной, так и продольной ориентации ребер пластины. Здесь же видно, что сдвиг перехода вверх по потоку связан с более высоким уровнем пульсаций скорости на возрастающем участке кривой при одинаковом удалении от начала пластины. Это обусловлено тем, что на начальном участке оребрения существует зона, в которой скорости нарастания возмущений существенно различны для отличных оребрений.

Для выявления закономерности влияния на переход оребренных поверхностей с различной геометрией, формой и ориентацией ребер была проведена серия опытов в которых число Reh менялось в широком диапазоне от 30 до 906. Результаты опытов представлены на рис. 4 в обобщенном виде, по оси ординат отложено отношение

<шсла Рейнольдса перехода Ren -- V°° Хп (ха—координата точки перехода) для ореб-

V

ренной пластины к аналогичному числу (Ren)(j для гладкой пластины, а по оси абсцисс — число Re^.

По измерениям с использованием вибрирующей ленточки в погранслое, показано, что при обтекании оребренных поверхностей с любой ориентацией скорость нараста-

• с поперечнып рифлением к с продольным п , положение перепада '■

Рис. 3

ния возмущений в пограничном слое при ¡^<140 аналогична скорости нарастания на гладкой поверхности. В этом случае начала переходов на гладкой и оребренной поверхностях совпадают (рис. 4). Из анализа представленных на рис. 4 данных следует интересный факт, заключающийся в том, что при поперечной ориентации ребер обтекаемой поверхности влияние на переход проявляется при более высоких значениях числа Иел (Иел»270) по сравнению со случаем продольной ориентации ребер (КеЛя= 140). Наблюдаемый эффект связан, по-видимому, с тем, что при поперечном обтекании оребренной поверхности в областях между ребрами образуются «застойные» зоны, приводящие как бы к снижению фактической высоты ребер.

В то же время, при обтекании поверхности с продольно ориентированными ребрами влияние на ламинарно-турбулентный переход проявляется аналогично влиянию шероховатой «песочной» поверхности, для которой значение числа Дел, при котором начинает наблюдаться сдвиг перехода, оказалось равным 140, что соответствует результатам опытов [1] с шероховатыми поверхностями.

Таким образом, проведенные исследования показали, что оребрение поверхности на ламинарном участке не приводит к повышению устойчивости течения по сравнению с гладкой поверхностью. Однако при поперечном обтекании оребрения ламинарнотурбулентный переход происходит при более высоких значениях числа Иел, чем при продрльном, что объясняется указанным выше более быстрым нарастанием возмущений на начальном участке оребрения в последнем случае.

ПО

ЛИТЕРАТУРА

1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Наука, 1974.

2. W а 1 s h М. J. and Weinstein L. М. Drag and heat transfer on surfaces with small longitudinal jins.— AIAA Paper N 78-1161, 1978.

3. W a 1 s h M. J. Turbulent boundary layers drag reduction using rib-blets. —AIAA Paper 82-0169, 1982.

4. У о л ш М. Д. Сопротивление пластины с продольными пазами и ребрами. — В кн.: Снижение вязкостного трения.— М.: Машиностроение, 1984.

5. Ей юти н Г. В., Лашков Ю. А., Самойлова Н. В., Фадеев И. В., Ш у м и л к и н а Е. А. Экспериментальное исследование влияния продольного оребрения на сопротивление трения плоской пластины. — Изв. АН СССР, МЖГ, 1987, № 2.

6. Енютин Г. В., Лашков Ю. А., Самойлова Н. В., Фадеев И. В., Ш у м и л к и н а Е. А. Влияние продольного оребрения на сопротивление турбулентного трения. — Ученые записки ЦАГИ, 1988, т. XIX, № 4,

Рукопись поступила 1/VIII 1989