CC BY
56
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ То ом XXII 19 9 1
М3
УДК 629.7.015.3.062.4 + 532.582 : 59
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТРЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЯХ С ПРЕРЫВИСТЫМ ПРОДОЛЬНЫМ ОРЕБРЕНИЕМ
Г. В. Енютин, Ю. А. Дашков, Н. В. Самойлова,
И. В. Фадеев, Е. А. Шумилкина
С помощью тензорезисторных весов с плавающим элементом измерено турбулентное трение на поверхностях с двумерным и трехмерным микрооребрением. Получены данные об эффективности снижения сопротивления трения оребренными поверхностями различной геометрической формы. Показано, что в условиях безградиентного малотурбулентного дозвукового течения поверхности с прерывистым микрооребрением, как и поверхности с непрерывным микрооребрением, позволяют снизить турбулентное трение до 8—10% по сравнению с гладкими поверхностями.
Идея исследования сопротивления мелкоребристых поверхностей с прерывистой формой оребрения в направлении течения возникла, отчасти, в связи с наблюдаемым в последние 15 лет интересом к изучению кожного покрова рыб, одной из функций которого является, вероятно, снижение гидродинамического сопротивления (см. например, [1]). Биологи полагают, что пластинки плакоидной чешуи акул и расположенные на них выступающие в поток поверхности — «кили» (по 3—5 «килей» на каждой) способствуют детурбулизации потока в области, прилегающей к поверхности тела.
Бехерт [2] попытался элементы различных участков кожного покрова быстроходных акул интерпретировать как различные средства управления пограничным слоем.
В работе [3] отмечалось, что одной из возможностей улучшения характеристик оребренных поверхностей является сокращение омываемой площади при сохранении детурбулизирующих свойств покрытия. Методом импульсов авторами работы [3] при среднеквадратичном относительном уровне турбулентности ~0,25—0,4% с погрешностью ± 3 % зарегистрировано максимальное уменьшение сопротивления турбулентного трения на поверхности с треугольной формой ребер на 12—14%, что превышает на 4—60% эффективность, полученную в других работах. По мнению авторов, это вызвано относительным уменьшением площади омываемой поверхности за счет увеличения угла при
вершине ребра — выбором s>h. (Здесь и далее s и Н — шаг и высота оребрения соответственно.)
В работе [3] и в исследованиях целого ряда авторов (см. например, [4]) рассматривались лишь поверхности с непрерывными в направлении потока ребрами. Однако уменьшение омываемой площади возможно при использовании и «прерывистого» оребрения. Учитывая изложенное, нами была изготовлена и испытана серия моделей из магниевого сплава МА-8, имитирующих в некоторой степени кожный покров акул (рис. 1). На рис. 2 приведены микрофотографии наиболее характерных моделей при двадцатипятикратном увеличении.
В работе [5] нами была предпринята попытка уменьшения площади омываемой поверхности за счет изменения профиля поперечного сечения двумерных риблетов. В этих исследованиях модель № 5 (см. рис. 1, тип I — Д), имеющая треугольную форму ребер с расстоянием между ними, равным основанию ребра (расположенными «через зуб»), оказалась наиболее эффективной. Принцип уменьшения омываемой поверхности позволяет надеяться, что и прерывистое в продольном направлении оребрение может оказаться в некоторых случаях более эффективным, чем сплошное оребрение. В пользу такого предположения свидетельствуют также измерения напряжений Рейнольдса на гладком участке за оребренной поверхностью, которые показали, что существует некоторая длина релаксации этих напряжений к их значениям на гладкой поверхностц.
Испытания опытных образцов проводились в малотурбулентной аэродинамической трубе, длина рабочей части которой равна 4 м (квадратное поперечное сечение 1Х 1 м). Скорость набегающего потока в
поперёк реІЇгр
5
П 1і
V
ш
Е
Рис. 1
Рис. 2
экспериментах изменялась от 5 до 100 м/с. При скорости иоо"'='ЗО м/с толщина пограничного слоя в зоне расположения весов составляла 6",=,25 мм.
Измерение сопротивления трения производилось с помощью плавающего элемента [5]. При постоянной температуре весового элемента и в узком диапазоне изменения температур (до ~1°С) паспортная относительная среднеквадратичная погрешность измерения тензорезис-торными весами с плавающим элементом составляла 0,2—0,4 %.
Образцы размером 285X285 мм в плане размещались на подвижной (плавающей) платформе тензовесов. Во всех опытах передняя и задняя кромки исследованных поверхностей устанавливались с погрешностью не более 0,01—0,02 мм заподлицо с поверхностью базовой пластины. При условии тщательного выравнивания передней и задней кромок моделей с поверхностью пластины воспроизводимость измерений турбулентного трения составляла примерно ±1 %.
В конце рабочей части под пластиной размещалось прямое крыло с хордой 200 мм и максимальной толщиной 10 мм, которое закреплялось на боковых стенках рабочей части. Изменение угла атаки этого крыла позволяло регулировать перепад между давлением во внутренней полости весов и статическим давлением в области передней кромки подвижной пластины весов. Это давало также возможность в небольших пределах изменять продольный градиент давления на верхней поверхности пластины.
Испытания проведены в практически базградиентном потоке при наличии турбулизатора, выполненного в виде барьера высотой ho = 3 мм и располагавшегося по всей ширине пластины на расстоянии 450 мм от ее передней кромки и 1540 мм от центра плавающего элемента.
Измеренные средние по длине плавающего элемента значения коэффициента С/ местного трения ребристой поверхности относились к соответствующему коэффициенту С/0 трения гладкой пластины и сгла-
1.0
Tan J/їм» дели У,MM ft. MM
IA 1 010 0.08
w 2 6,25 OJ7
*# 28 0.13 0.12
я 33 0.20 0,17
0 36 0,20 0.10
f І7 0.20 0.12
1-а 5 0.25 0.10
„ 27 0.53 0,22
n 15 0,32 0.17
»; *6 0,32 o,n
f\ 37,
0.9
/.О
Л9Г
Тип П-А S=0,26nn к-В, 15им
ос*5Г
%jm а-т № n’-Mri Ы11 Mst
n 0,42 1,26 V 015 a 0,7
17 1,25 1.35 1.0 in W ВЛ
Z1 W 1^5 1,1 0,15 6,5 0,5
±.
2.
_L
1P
15
20
25 $0
Рис. 3
живались сплайн-методом. Зависимость С/„ (Rei) для гладкой пластины, полученная экспериментально,' аппроксимировалась в виде
где Re= Uoo/v — единичное число Рейнольдса, а коэффициенты А, с и т определялись методом наименьших квадратов. Относительная погрешность аппроксимации данных для гладкой пластины при иоо>15—20 м/с не превышала 1 %.
На рис. 1 изображены исследованные конфигурации оребрения. Отметим, что поверхности типа / со сплошным ребром традиционны и подробно исследовались рядом авторов (см. например, [6]). Результаты исследований поверхностей с чередованием оребренных и гладких участков типа IV и поверхностей типа II и /II с наклоненной (или прямой) выборкой на ребрах нам не известны. Приведенные на рис. 3 и 4 зависимости отношения с/ = С// С/ от безразмерного параметра s+ = (здесь и* и v — динамическая скорость и кинематическая
вязкость газа соответственно) позволяют сравнить эффективность снижения трения на исследованных поверхностях. Погрешность окончательных результатов, приведенных на рис. 3—4, не превышала 2%.
К настоящему времени авторы располагают экспериментальными материалами по около 70 моделям риблетов, различающихся геометрическими размерами: s и h от 0,03 мм до 0,53 мм, а = 0,03 + 285 мм, Ь = = 0 + 7 мм, а = 28°+П20 При сопоставлении риблетов между собой на рис. 3 и 4 произведена выборка
в соответствии с рис. 1 таким образом, чтобы указанные на иллюстрациях геометрические параметры были бы, насколько возможно, одинаковыми. Так, на рис. 3 и 4 приведены зависимости только для поверхностей с одинаковым притуплением вершин А 0,01 мм и углом при вершине ребра а ::53°. Значение а"'" 53°, по нашему мнению (в отличие от работы [3]), близко к оптимальному согласно проведенным нами ранее исследованиям семейства поверхностей с углами а = 28, 53, 90 и 112°. Из приведенных на рис. 3 и 4 экспериментальных данных следует, что для всех испытанных поверхностей наблюдался эффект снижения трения (min (;/<1).
Интересный результат был получен нами и для поверхности № 29. Эта поверхность была выполнена в виде упорядоченно расположенных шипов (hi = si""'0,l мм, тип /II — А), причем канавки оказались примерно на половину своей глубины забиты заусенцами. Выполненная таким образом «шероховатая» поверхность работала, как аэродинамически гладкая (в отличие от поверхности с неупорядоченной шероховатостью —наждачная бумага, ГОСТ 5456—75, h""'0,01—0,03 мм). Отметим также, что небольшое естественное загрязнение ребристой поверхности (примерно до h/2) практически не влияло на величину силы трения, что можно трактовать как переход оребрения типа А в оребрение типа D.
На, рис. 5 приведены минимальные значения с в зависимости от параметра s/h для двух типов двумерного оребрения. Согласно рис. 4, соотношение s = h, рекомендованное Уолшем [4], строго говоря, не является оптимальным: для оребрения типа / — А оптимальное значение располагается в районе s/h$l,4, а для оребрения типа / — D — вблизи s/h"",2,4. По-видимому, дальнейшее увеличение s/h не имеет смысла, так как при sOpt ~ 12 и s/h = 2,5 оптимальная высота оребрения hopt 5
ст тс, 0,51
о.зг
0.90
тип 1-А " 1-0 IX
'ю !Л (Ч (6 20 2,2 2.' S/h
Рис. 5
о
и С/:=: 1. Известно, что область зарождения турбулентных выбросов
• у , ц.
ограничена величиной у+ = -у'1— = 30 (у+ — безразмерная координата
в «законе стенки»). По-видимому, оптимальными являются такая высота Н и шаг 5 ребер, которые сопоставимы с размерами вязкого подслоя. В этом случае продольное оребрение поверхности затрудняет развитие пристеночных вихревых жгутов и снижает частоту турбулентных выбросов. Поэтому эффективные параметры Н и 5 ребер должны выбираться с учетом этих соображений/
При анализе приведенных на рис. 3 и 4 зависимостей можно заметить, что поверхности с оребрением, выполненным по типу I и III, более эффективны по сравнению с поверхностями, выполненными по типу II и IV, причем максимальное снижение трения на поверхности со сплошными ребрами (модель ОМ! 27, тип I — Д) и на поверхности с наклонной, без гладкого промежутка выборкой на ребрах (модель № 18, тип III — А) оказалось примерно одинаковым. Диапазон значений 5+, при котором достигается максимальное снижение трения, составил ^ = 5—20. Максимальное снижение трения на поверхностях с прерывистым характером оребрения (типы II и IV), как правило, не превышает 5—6%. В той области, где ребристость дает максимальный эффект, сплошное оробрение и поверхности с малой выборкой на ребрах (типы I и III) дают практически одинаковое снижение трения (до 8—10%). Отметим, что на поверхности с малой протяженностью ореб-ренных (а = 0,5 мм), и неглубоких (Ні=0,07 мм, Ь = 0,75 мм) выборках на ребрах при в+=Ш—12 на модели № 15 снижение турбулентного трения достигало 7% (двумерное оребрение с близкой формой профиля имеет примерно такую же эффективность), а на поверхности со значительной протяженностью промежутков между оребренными участками (а = Ь = 6,85 мм, модель ,N'2 24) снижение трения составляло не более 4%. _
На рис. 6, а приведены минимальные значения С/ для поверхностей с разной выборкой на ребрах в зависимости от безразмерного парамет-
£.ц*
ра выборки Ь + = —. Приведенные значения соответствуют различ-
ным значениям Ьі/(Ь + а) — отношения осредненной длины выборки Ьі к длине периода (Ь + а) прерывистости оребрения. Имеющихся данных, к сожалению, недостаточно, чтобы построить экспериментальную зависимость С/шіп от Ь+ при фиксированном значении Ьі/(Ь + а). По-видимому, эти зависимости будут иметь вид, показанный пунктиром на рис. 6, а, так как с увеличением Ь+ величина С/шіп для заданной формы оребрения определяется, очевидно, только параметром Ьі/ (Ь + а), характеризующим соотношение площадей поверхности со сплошным оребре-нием и поверхности с выборкой на ребрах. С уменьшением Ь+ при фик-
Рис. 6
сированном 61/(+ + а) выигрыш в трении может увеличиваться, что подтверждается экспериментальными данными для моделей 18 и 20. Это. вероятно, обусловлено последействием оребрения: сформированные
ребрами турбулентные структуры не успевают разрушиться на короткой выборке, сравнимой по длине с высотой ребра ^ В том случае, когда &1/(+ + а)>0,5, т. е., когда оребренный участок короче выборки,. уменьшение Ь+ будет, вероятно, приводить к снижению выигрыша в трении, так как большее значение, в этом случае, приобретает последействие гладкого участка.
На рис. 6, б проиллюстрировано влияние параметра 61 на снижение трения. Пунктирная прямая соответствует тем случаям, когда относительная длина выборки 6^ велика (возможно, 6^ 5). При
малых значениях 6^ зависимости. расслаиваются из-за эффекта последействия. Конечно, представленный вид зависимостей приближенный, так как предполагается, что выборка выполнена на всю глубину к и что данное исходное оребрение (без выборки) обеспечивает выигрыш в трении около 10%. Отклонение некоторых экспериментальных точек от предполагаемых зависимостей может быть обусловлено другими факторами (например, различным притуплением вершин). Влияния различной формы выборки не обнаружено.
Таким образом, по-видимому, выборка на ребрах не влияет на снижение трения при относительно малых ее размерах: ^/к»!, причем значение параметра (отношения площадей) ^/(Ь + а) при этом не должно превышать = 0,3. В остальных случаях прерывистость оребрения снижает эффективность оребренной поверхности. При увеличении: масштаба выборки (^/Л Э5) выигрыш в трении снижается приблизительно пропорционально значению параметра 61/(6 +а).
В заключение отметим, что проведенные исследования показали,, что поверхности с прерывистым в направлении потока характером оребрения не имеют существенных преимуществ перед поверхностями с непрерывным оребрением. Это обстоятельство указывает на то, что» роль площади омываемой оребренной поверхности в эффективности микрооребрения не столь существенна, как ожидалось: благоприятное влияние уменьшения площади омываемой поверхности для испытанных риблетов компенсируется неблагоприятными последствиями пре-
4— «Ученые :!аписки» N5 3
49»
рывистости ребер (восстановление повышенного трения на гладких участках между ребрами, сопротивление торцевых участков и недостаточно высокая эффективность начальных участков ребер). Вместе с тем, результаты испытаний поверхностей с прерывистым характером оребрения показали, что нанесение оребрения на поверхность транспортного средства может быть выполнено с небольшими промежутками (если это необходимо) практически без потери эффективности.
Авторы выражают благодарность В. В. Михайлову за помощь и полезные замечания при выполнении работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ч е р н ы ш е в О. Б., 3 а е ц В. А. Изменение килей плакоидной чешуи акул в зависимости от скорости плавания. — Бионика, 1974, № 8.
2. В е с h е r t D. W., В а r t е n w е r t е r М., Н орре G. Dr a g reduction mechanisms derived from shark skin. — ICAS—86—'1.8.3.
3. С о n s t о 1 s Е., G I е у z е s С., S с h m i t t V., В е r r u е Р. Etude experimental de 1а reduction du frottement turbulent du тоуеп de parois rainurees. — 24-ёте СоUоquе d’Aerodynamique appliquee. Poitiers, .26-28/Х 1987.
4. У о л ш М. Д., В а й н ш т е й н л. М. Исследование трения и теплообмена на небольших поверхностях с продольным оребрением. — AIAA Journal, 1979, уоі. 17, N 7.
5. Е н ю т и н г. В., л а ш к о в ю. А., С а м о й л о в а Н. В.,
Ф а Д е е в И. В., Ш у м и л к и н а Е. А. Влияние продольного оребрения
на сопротивелние турбулентного трения. — Ученые записки ЦАГИ, 1988, т. 19, № 4.
6. Е н ю т и н Г. В., Л а ш к о в Ю. А., С а м о й л о в а Н. В.,
Ф а Д е е в И. В., Ш у м и л к и н а Е. А. Влияние скоса потока на аэроди-
намическую эффективность мелкоребристых поверхностей. — Изв. АН СССР, МЖГ, № 1, 1991.
Рукопись поступила 30/X /989 г.
