Экспериментальное исследование локализованных возмущений в пограничном слое прямого крыла Текст научной статьи по специальности «Физика»

Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 834-836

УДК 532.526

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ ПРЯМОГО КРЫЛА

© 2011 г. М.М. Катасонов1, П.А. Мотырев1, Д. С. Сбоев1

'Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск 2Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского, Москва

mikhail@itam.nsc.ru

Поступила в редакцию 16.05.2011

Выполнены эксперименты в рамках исследования процессов образования турбулентности в пограничном слое при повышенной степени турбулентности набегающего потока. Эксперименты проводились в дозвуковой аэродинамической трубе МТ-324 ИТПМ СО РАН на модели прямого крыла при числах Рейнольдса 61800 < Яес1 < 97000, при низкой (Ти = 0.18%и„) и повышенной (Ти = 0.79% Ц.) степени турбулентности набегающего потока. Продольные локализованные возмущения, возникающие в пограничном слое под воздействием повышенной степени турбулентности набегающего потока, в настоящем исследовании моделировались искусственно методом вдува-отсоса воздуха через источник, расположенный на поверхности модели либо вне ее. Исследовались характеристики развития волновых пакетов (предвестников), возникающих в пограничном слое в областях, предшествующих резкому локальному изменению скорости вблизи фронтов локализованного возмущения. Обнаружено, что повышенная степень турбулентности набегающего потока ускоряет развитие волновых пакетов-предвестников и преобразование их в турбулентные пятна.

Ключевые слова: пограничный слой, ламинарно-турбулентный переход, волновые пакеты, продольные полосчатые структуры, предвестники.

Волновые пакеты-предвестники

В последние годы большое внимание уде -ляется изучению продольных локализованных возмущений, возникающих в пограничном слое под воздействием повышенной степени турбулентности набегающего потока. Такие структуры создают условия для развития высокочастотных волновых возмущений (вторичная неустойчивость, предвестники), которые далее могут трансформироваться в турбулентные пятна, в результате чего течение в пограничном слое переходит из ламинарного состояния в турбулентное [1]. Исследования в «естественных» условиях не позволяют сегодня в полной мере ответить на поставленные вопросы в силу того, что появление возмущений в пограничном слое имеет случайный характер, и в большинстве случаев практически невозможно отследить поведение конкретного возмущения. Для детального изучения продольные структуры (локализованные возмущения) искусственно моделируют в пограничном слое. При моделировании таких возмущений было обнаружено, что в случае импульсного воздействия в пограничный слой вводится возмущение с широким спектром частот, часть из которых попадает в

область неустойчивости течения (если таковая имеется). В результате в пограничном слое возникает волновой пакет-предвестник (поскольку предшествует фронту продольного локализованного возмущения), который быстро нарастает ниже по потоку и приводит к образованию турбулентного пятна [2].

Низкая степень турбулентности набегающего потока

Исследования проводились на модели прямого крыла с хордой с1 = 290 мм. Модель устанавливалась в середине рабочей части под нулевым углом атаки. Возмущения в пограничный слой вводились с помощью вдува воздуха через 40-миллиметровую поперечную щель на поверхности модели либо через тонкую трубку, помещенную вблизи носика крыла. Длительность вдува (отсоса) регулировалась быстродействующим электромагнитным клапаном, синхронизованным с системой записи сигнала. Измерения проводились однониточным датчиком термоанемометра постоянной температуры. Измерялись средняя и и пульсационная и компоненты продольной составляющей скорости.

Исследовалось поле течения в двумерной

плоскости внутри пограничного слоя при низкои степени турбулентности набегающего потока (Ти = 0.18% ЦД Под воздействием вдува (отсоса) в пограничном слое возникает продольное локализованное возмущение. Вблизи фронтов локализованного возмущения генерируются высокочастотные волновые пакеты-предвестники. На рис. 1 изображены единичные осциллограммы на уровне максимума сигнала для различных координат вниз по потоку.

200 300

Рис. 1

Как было показано в [2], предвестники являются пакетами волн Толлмина -Шлихтинга (Т-Ш). Фактически, предвестник является результатом воздействия прямоугольного импульса (нестационарный вдув или отсос) на пограничный слой. В результате дисперсии фронт прямоугольного импульса разделяется по частотам, из которых пограничным слоем усиливаются наиболее неустойчивые. Обнаружено, что предвестники в процессе своего развития в пограничном слое вниз по потоку преобразуются в Л-структуры, приводя в дальнейшем через образование турбулентного пятна к турбулентности. Продольные локализованные возмущения вниз по потоку затухают. Особенности градиентного течения проявляются следующим образом: в области благоприятного градиента давления волновые пакеты уменьшаются по амплитуде, затем, при переходе в область неблагоприятного градиента давления, их амплитуда стремительно растет.

Повышенная степень турбулентности набегающего потока

Для создания повышенной степени турбулентности (Ти = 0.79%и^) перед входом в рабочую

часть помещалась турбулизирующая сетка.

Амплитуда предвестника варьировалась изменением интенсивности отсоса воздуха через щель. Создавались предвестники как малой (менее

0.4%и^) так и большой амплитуды (и > 1%и^). Анализ распределения пульсации скорости в пограничном слое показывает, что в случае предвестника малой амплитуды (= 0.4% и^ вблизи источника) на начальном участке развития в области благоприятного градиента давления (0.31 < Х/С1 < 0.42) амплитуда пульсаций сначала падает, но затем, в области неблагоприятного градиента давления, стремительно нарастает (рис. 2а). При этом амплитуда пульсаций скорости для предвестников в условиях повышенной степени турбулентности растет быстрее, чем при низкой степени турбулентности набегающего потока.

Для предвестника большой начальной амплитуды рост интенсивности начинается уже в области благоприятного градиента давления (рис. 26). Чем больше начальная амплитуда предвестников, тем раньше наступает ламинарно-турбулентный переход вследствие разрушения последних.

Рис. 2

Работа выполнена при поддержке грантом РФФИ (№ 08-01-00027), грантом ведущих научных школ (НШ-

454.2008.1), грантом Министерства образования и науки РФ (№ РНП.2.1.2.541), Гос. контрактом 14.740.11.0354, грантом Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых (МД-

3973.2011.1).

Список литературы

1. Бойко А.В., Грек Г.Р., Довгаль А.В., Козлов В.В. Возникновение турбулентности в пристенных течениях.: Наука. Сиб. отд-е, 1999.

2. Горев В.Н., Катасонов М.М. // Теплофизика и аэромеханика. 2004. Т 11, №3. С. 403-415.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE LOCALIZED DISTURBANCES IN THE BOUNDARY LAYER OF A STRAIGHT WING

M.M. Katasonov, P.A. Motyrev, D.S. Sboev

The present experiments are performed within the framework of research of laminar-turbulent transition processes in a boundary layer at the enhanced free stream turbulence level. The investigations were carried out in the subsonic wind tunnel MT-324 ITAM SB RAS at low (Tu = 0.18%U„) and enhanced (Tu = 0.79%U„) free stream turbulence levels. The tested model was a straight wing. Reynolds numbers was 61800 < Rec1 < 97000. The longitudinal localized structures arising in the boundary layer under the influence of high free stream turbulence level, were modeled artificially by means of localized suction through the slot on a model surface. The focus of the paper is on wave packets (forerunners) occurring in the regions preceding a drastic change of flow velocity inside the boundary layer at the localized disturbances fronts. It is found, that the high free stream turbulence level accelerates the development of wave packets-forerunners and their transformation to the turbulent spots.

Keywords: shaker, boundary layer, laminar-turbulent transition, wave packets, longitudinal localized structures, forerunners.