CC BY
47
_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Том XX 198 9
№ 6
УДК 629.7.015.3.062.4
533.6.071.4:532.517.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ ПРОДОЛЬНОГО ОРЕБРЕНИЯ И РАЗРУШИТЕЛЕЙ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР НА ТУРБУЛЕНТНОЕ ТРЕНИЕ
И. В. Гудилин, Г. В. Енютин, А. Ю. Ким,
Ю. А. Пашков, В. Г. Шумилкин
В малотурбулентной аэродинамической трубе (турбулентность потока 8=0,02—0,04%) проведено экспериментальное исследование совместного влияния продольного оребрения и разрушителей вихревых структур (РВС) на сопротивление турбулентного трения плоской пластины. Испытания проводились в практически безградиентном потоке в диапазоне чисел Ее* от 106 до 6-10е. Местная сила трения измерялась весами с плавающим элементом, а полная сила турбулентного трения — методом импульсов. Экспериментально показано, что совместное влияние оребрения и РВС приводит к суммированию эффектов, обусловленных применением указанных элементов порознь. При этом эффект суммирования проявляется как для местного, так и для полного коэффициентов трения. Использование оребрения и РВС позволило снизить полный коэффициент турбулентного трения на плоской пластине на 12—13%.
В настоящее время достаточно подробно изучен ряд способов уменьшения сопротивления трения. Данная работа посвящена исследованию возможностей одновременного использования двух пассивных методов снижения турбулентного трения: с помощью мелкоребристых поверхностей и разрушителей вихревых структур (РВС).
За рубежом, в основном в США, за последние 10—15 лет весьма подробно исследовано влияние продольного оребрения на турбулентное трение. Этой проблеме посвящено значительное число публикаций (см., например, [1]), в которых показано, что при оптимальном выборе геометрии оребрения можно снизить величину турбулентного трения на 7—8%. В отечественной литературе на эту тему имеются только три публикации [2—4], результаты которых в основном подтвердили данные зарубежных исследователей. Следует отметить, что механизм снижения трения на оребренных поверхностях пока не нашел достаточно надежного объяснения.
Вторым из рассматриваемых в настоящей работе методов снижения турбулентного трения является использование РВС. Сущность идеи применения РВС состоит в использовании горизонтальных и вертикальных элементов (типа расположенных вдоль потока пластин), погруженных в турбулентный пограничный слой с целью разрушения крупных
вихревых (когерентных) структур. Такие устройства, уменьшая характерный масштаб турбулентности, изменяют механизм передачи количества движения из внешней области течения к стенке, за счет чего может уменьшиться число генерируемых на стенке турбулентных выбросов, а следовательно, и поверхностное напряжение трения.
Первые работы по изучению снижения сопротивления трения с помощью РВС относятся к концу 70-х годов. Активно эта проблема начала разрабатываться за рубежом в последние 5 лет. Обзор исследований по снижению трения с помощью РВС содержится в работах [5, 6]. В отечественной литературе публикации по исследованию РВС авторам не известны.
Следует отметить, что результаты опубликованных работ носят весьма противоречивый характер. В этих работах отсутствуют четкие рекомендации по выбору геометрических параметров элементов РВС. Все это послужило основанием проведения авторами на первом этапе работы исследований по оптимизации параметров РВС и изучению их воздействия на изменение структуры турбулентного пограничного слоя. Измерения были выполнены на плоской пластине при числах Рейнольдса Иеж = 6-105^2,-106. Определены оптимальные значения высоты к установки РВС, расстояния в между элементами РВС схемы тандем и длины / хорды элементов, равные, соответственно /г= (0,4 н-0,45) б0, 5=1(12-МЗ)6о, /='(0,7-*-1)бо- При этом наблюдалось уменьшение полного сопротивления примерно на 8% при максимально возможном в эксперименте расстоянии от РВС Ах= (65ч-70) 60, где бо — толщина турбулентного слоя в месте установки первого элемента РВС.
Несомненный интерес представляет проведение исследований по определению суммарного эффекта снижения трения при одновременном использовании мелкоребристых поверхностей и РВС. В отечественной литературе публикации на эту тему отсутствуют, за рубежом этой проблеме посвящено весьма ограниченное число работ. В работе [7] упомянуто об экспериментальном исследовании влияния РВС и оребрения с треугольной формой ребер, однако результатов таких исследований не приведено. В обзорной работе {8] отмечено, что при совместном использовании оребрения и РВС положительное воздействие их на трение суммируется, однако ссылка на первоисточник не приводится.
Настоящая статья посвящена экспериментальному исследованию совместного влияния оребрения с различным профилем ребер и РВС на местный и полный коэффициенты турбулентного трения.
Испытания были проведены в малотурбулентной аэродинамической трубе малых скоростей с размерами рабочей части 1X1X4 м. Скорость потока изменялась в диапазоне 8—50 м/с, при этом интенсивность пульсаций невозмущенного потока не превышала 0,02—0,04%.
Изменения проводились на плоской пластине с размерами в плане 3,38х 1 м и толщиной 0,075 м. Носовая часть пластины была выполнена в виде полуэллипса с отношением осей 1 : 12, а задняя часть имела оживальную форму (длина 0,275 м). Пластина устанавливалась горизонтально под нулевым углом атаки в среднем по высоте сечения рабочей части. Расстояние от начала рабочей части до передней кромки пластины составляло 0,45 м.
Турбулентный режим течения в пограничном слое во всем диапазоне скоростей осуществлялся с помощью турбулизатора, который устанавливался поперек потока по всей ширине рабочей части и представлял из себя плоскую ленту высотой 3 мм и шириной 20 мм. Турбули-
затор располагался в сечении между носовой частью и основной плоской поверхностью модели.
Для прямого измерения силы поверхностного трения модель была оборудована тензовесами с плавающим элементом. Весы размещались внутри модели в прямоугольном люке размером в плане 285X285 мм. Зазор между плавающим элементом и окантовкой люка не превышал 0,05-^0,15 мм. Середина платформы плавающего элемента, на которой крепились исследуемые поверхности, располагалась на расстоянии 2 м от передней кромки пластины. Среднеквадратичная погрешность измерения коэффициента местного трения составляла 0,7%.
Измерение профилей средней скорости осуществлялось с помощью насадка полного давления, имевшего форму приемного отверстия, близкую к прямоугольной, с внешними размерами 0,42x1,96 мм и толщиной стенок 0,1 мм. Перемещение приемника поперек пограничного слоя осуществлялось с помощью микрокоординатника с ценой деления 0,1 мм. Перепад между полным и статическим давлениями Др измерялся с помощью наклонного микроманометра, оборудованного оптической системой. Среднеквадратичная погрешность измерения Ар равнялась 0,03 мм водн. ст.
Для измерения параметров пограничного слоя модель была оборудована микрокоординатниками с дистанционным управлением, в которых могли закрепляться приемники полного давления или датчики термоанемометра. Общий ход перемещения подвижного элемента коорди-натника по оси у составлял 100 мм, минимальный шаг перемещения был равен Ау = 0,1 мм.
В весовом эксперименте было исследовано пять пластин с различной геометрией оребрения. При весовых измерениях оребренные пластины имели размер 285x285 мм и наклеивались на грузовую платформу весов. При этом они устанавливались заподлицо с окантовкой люка по вершинам ребер с погрешностью не более 0,02 мм. Геометрия оребрения указана ниже при описании соответствующих результатов.
При исследовании совместного влияния оребрения и РВС на турбулентное трение методом импульсов ребристые пластины наклеивались непосредственно на поверхность пластины.
Разрушители вихревых структур представляли собой плоскую стальную ленту, которая натягивалась поперек потока параллельно поверхности модели (толщина ленты / = 0,15 мм, длины хорды / = 20— 25 мм).
В ходе предварительных испытаний были измерены параметры пограничного слоя на гладкой модели. Результаты этих измерений пока-'зали, что профили средней скорости в универсальных координатах ав-томодельны, эмпирические зависимости числа Рейнольдса, вычисленного по толщине потери импульса Яе**, коэффициента местного трения Су от числа Рейнольдса, посчитанного по расстоянию от передней кромки модели Иеж, практически совпадают с известными зависимостями Сивелса — Пейна [9]. Величина формпараметра Н = 8*/6** монотонно уменьшается с ростом Ие* и равна в среднем Я= 1,35. Анализ результатов- показал, что на модели с использованным турбулизатором в диапазоне чисел Рейнольдса 1?еж= 106н-6-106 (расстояние х от передней кромки модели составляло 1,0—2,7 м) существовал развитый турбулентный пограничный слой. Измерен был также градиент скорости в потоке над моделью. Результаты измерений показали, что положительный градиент скорости, обусловленный ростом пограничного слоя на поверхности модели, носит линейный характер, причем его величина
незначительна. Увеличение скорости на длине плоского участка модели за счет роста толщины пограничного слоя составляло 1,5—2%. К аналогичному результату приводит и анализ измерений распределения статического давления вдоль поверхности модели.
Постановка РВС и оребренных поверхностей не изменяла величину градиента скорости. Поэтому о влиянии РВС и оребрения на полное сопротивление трения (а также на его изменение при варьировании параметров РВС и оребрения) можно судить по величине толщины потери импульса без учета градиента скорости.
Эффективность снижения трения с помощью РВС (или РВС и оребрения) в настоящей работе оценивалась по соотношению
Дср Ие** (х) — Ие** (*0) ^
Д^о Кео* (*)~ Кео*(х°) ’ ^ ^
где Ие0 и Ие0 — числа Рейнольдса, вычисленные по толщине потери импульса турбулентного пограничного слоя соответственно на гладкой пластине и пластине с РВС (или с РВС и оребрением) в сечениях х0п х (х0 — координата передней кромки первого элемента РВС, л; — координата сечения, в котором измеряется профиль скорости в пограничном слое вниз по потоку от РВС, л:>л:о+5). Таким образом, рассматривается изменение полного сопротивления (включая сопротивление самих РВС) поверхности модели на участке х—х0.
При исследовании совместного влияния РВС и оребрения на трение проверялась гипотеза о независимости механизмов воздействия на турбулентный пограничный слой РВС и оребрения. Изучение влияния РВС и оребрения на местное трение проводилось весовым способом с помощью плавающего элемента. Испытываемый РВС имел следующие параметры: х1 = 970 мм, х2=1280 мм (х/б0= 12), = 20 мм, /2--=
= 25 мм, ^1 = 7 мм, /12= 10 мм, /4 = 4 = 0,15 мм, где х1 и х2— расстояния до первого и второго элементов от передней кромки модели, i — толщина элементов (ленты).
Параметры и геометрия испытанных ребристых поверхностей приведены на рис. 1—4, на которых представлены результаты весовых измерений совместного влияния РВС и оребрения на местное трение в виде зависимостей С//С/0 (-5^ ), где С/О — коэффициент местного трения
гладкой пластины, ^ ” р \^с^/2 — безразмерное расстояние
между ребрами, V — кинематическая вязкость. Из представленных данных видно, что независимо от величины собственной эффективности использованных ребристых поверхностей (оребрение снижало местное трение от 1—2% на поверхности №4 до 8% на поверхности №2) постановка РВС усиливала эффект снижения местного трения. При этом величина дополнительного снижения трения (за счет РВС) составляла 7—9%. Уменьшение местного трения на гладкой поверхности за счет эффекта от РВС составляло 9—10%. Конечная величина снижения местного трения была практически равна сумме воздействия от каждого устройства в отдельности.
Заметим, что в приведенных на рис. 1—4 результатах различные значки, относящиеся к одной кривой, соответствуют различным по времени проведения опытам.
Отметим также, что постановка РВС не изменяла область эффективности ребристых поверхностей как по числу Рейнольдса, так и по
скорости £/<*> набегающего потока. Из данных, представленных на рис. 1—4, видно, что графики зависимости Cf/Cf0(Sp ) для ребристых поверхностей и в случае совместного использования РВС и ребристых поверхностей являются практически эквидистантными. Это позволяет сделать вывод о том, что при совместном использовании оребрения поверхности и РВС механизмы воздействия на турбулентный пограничный слой каждого из устройств работают независимо, и эффекты от рассматриваемых устройств суммируются.
При исследовании совместного влияния РВС и ребристых поверхностей на снижение полного сопротивления оребренные элементы наклеивались непосредственно на поверхность модели. Всего было испытано пять пластин толщиной —0,5 мм и размером в плане — 300Х Х350 мм каждая. Общая длина ребристой поверхности составляла 1545 мм, ширина —350 мм. Начало оребренной полосы располагалось на расстоянии 1150 мм от передней кромки модели (практически начало
оребрения совпадало по координате х со вторым элементом РВС).
У первых четырех оребренных поверхностей сечение ребра представляло собой равнобедренный треугольник с основанием, равным высоте кр, расстояние между вершинами ребер было вдвое больше, чем основание (форма «через зуб», бр =
= 0,52 мм, Нр = 0,25 мм). Последняя пластина имела треугольный профиль ребра, Яр = 0,25 мм, кр =
= 0,17 мм. Следует отметить, что при наклейке пластин не контролировалось совмещение вершин ребер соседних пластин.
При исследовании совместного влияния РВС и оребрения на полное сопротивление РВС имел геометрические параметры такие же, как и при исследованиях с/ с помощью плавающего элемента, но устанавливался на 100 мм ближе к передней кромке модели. Измерение профилей скорости приемником полного давления выполнялось в сечениях х0=850 мм и х = 2635 мм, что соответствовало безразмерному расстоянию от задней кромки РВС Ах/бо=58^63. Многократные повторные измерения показали, что среднеквадратичная погрешность измерения б** не превышала 0,6%. Оценка эффективности РВС и оребренной поверхности проводилась по соотношению (1). При этом по измеренным профилям средней скорости определялись значения толщины потери импульса б**(л:0) и 6**(х), по величине которых вычислялись значения Ке**(х0) и Яе**(х).
Снижение относительной величины ПОЛНОГО сопротивления ЛСр/Сто при использовании РВС и оребрения порознь и совместно показано на рис. 5. Отметим, что значения на рис. 5 вычислялись по расстоянию 5Р между вершинами ребер первых четырех пластин (зр = 0,52 мм). Из приведенных данных видно, что эффективность РВС (с указанными выше параметрами) составила 4%! во всем исследованном диапазоне параметра =15-*-42. Снижение сопротивления на ребристой поверхности составляет 8—9% при «р = 15-*-25 (что соответствует скорости иоо~ 12-н20 м/с) и постепенно_ уменьшается с увеличением параметра в*, достигая примерно 4%' при з/ =40 (£/«,:=»30 м/с). Отметим, что при весовых измерениях трения ребристой поверхности с геометрическими параметрами кр = 0,25 мм, $р = 0,52 мм (форма «через зуб») было получено значение Дс//с/0= — (7—8)%. Общее уменьшение полного сопротивления (см. рис. 5) практически равно сумме величин его уменьшения от каждого из устройств в отдельности. При скорости потока ^оо=12ч-20 м/с (Иеж= (2ч-3) • 106) суммарное снижение турбулентного трения составило 12—13%.
В заключение отметим, что относительно небольшое ( — 4%) уменьшение полного сопротивления с помощью РВС, полученное в данных испытаниях, по сравнению с ранее достигнутыми результатами (Аср/ср 8%), обусловлено неоптимальностью параметров использованного РВС. Это позволяет надеяться, что при повышении эффективности РВС при совместном использовании РВС и оребрения суммарное сопротивление трения может быть уменьшено на 16—20%.
1. Walsh М. J. Turbulent boundary layer drag reduction using rib-blets. — AI'AA paper, N 82—0169, 1982.
2. A. C. № 108246 (СССР), кл. 15 Д 1/00. Поверхность, обтекаемая жидкостью или газом. Е. С. Виноградов — Опубл. в БИ, 1984, № 14.
3. Енютин Г. В., Дашков 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.
4. Енютин Г. В., Дашков 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. 19, № 4.
5. Снижение вязкостного трения. — Сб. докладов./Под редакцией Г. Р. Хью. — М.: Машиностроение, 1984.
6. В u s h n е 11 D. М. Turbulent drag reduction for external flows. — ALAA paper, N 83—0227, 1983.
7. Bandyopadhyay P. R. The performance of shooth wall — drag reducting outer — layer. — AIAiA paper, N 85—0558, 1985.
8. Anders J. B., Walsh M. J., Bushnell D. M. The fix for tough spots. — Aerospace America, 1988, vol. 26, N 1.
9. Турбулентные течения в пограничном слое. Ч. 2. Расчетные и экспериментальные исследования. — Обзор ОНТИ ЦАГИ, 1980, № 575.
Рукопись поступила 15/XI 1988
