Использование вдува гелия для визуального изучения картины обтекания тел воздухом Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том V 197 4 '

№ 2

УДК 533.6.071.082.5

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВДУВА ГЕЛИЯ ДЛЯ ВИЗУАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ КАРТИНЫ ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ ВОЗДУХОМ

В. М. Божков, В. М. Захарченко

Рассмотрена возможность использования вдува гелия в пограничный слой через дренажные отверстия для изучения обтекания модели оптическими методами. Показано, что вдув гелия заметно искажает структуру ламинарного пограничного слоя и в целом все обтекание изучаемого тела. Однако в некоторых случаях качественный анализ характера течения можно проводить с помощью отдельных струек вдуваемого газа. Приведены теневые фотографии и кинограммы картин течения при наличии вдува гелия при малых дозвуковых скоростях.

Известно, что коэффициент преломления прозрачной среды может изменяться как вследствие изменения ее плотности, вызванного непостоянством температуры и давления, так и вследствие введения инородного вещества с отличающимся показателем преломления [1, 2]. В частности, вдув инородного газа в поток воздуха может быть использован для визуального изучения картины течения оптическими методами. Ниже рассматривается возможность использования вдува гелия через дренажные отверстия для визуализации обтекания модели.

Испытания проводились в аэродинамической трубе ЦАГИ при скорости набегающего потока от 2 до 24 м/с. Модель представляла собой прямоугольное ® плане крыло с закрылком, хорда крыла 6 = 452 мм, размах / = 900 мм, хорда закрылка с? = 100 мм. Гелий вдувался по верхней поверхности крыла через дренажные отверстия диаметром 0,5 мм, а контроль за его истечением велся по наблюдаемой в теневом приборе картине. Вдув, при котором вдуваемый гелий сразу уносился потоком и еще не наблюдались отдельные струйки, считался слабым и минимально возмущающим течение.

Для оценки влияния слабого вдува гелия в пограничный слой на характер течения проводилось измерение полною давления по толщине пограничного слоя, статического давления по верхней поверхности крыла, а также профильного сопротивления в сечении вдува.

Полученные распределения полного давления показали, что профили скорости в случае слабого вдува и при его отсутствии заметно отличались между собой. Экспериментальные значения статического давления в точках, положение которых по отношению к дренажным отверстиям задано при наличии вдува, также отличались от соответствующих значений при его отсутствии, что указывает на изменение обтекания модели под влиянием вдува. Измерения профиль, ного сопротивления [3] показали, что при вдуве гелия и отсутствии вдува отно.

шение коэффициентов профильного сопротивления с' 1с равнялось 1,6-ь 1,8

хр вд р

в зависимости от количества гелия, вдуваемого в пограничный слой.

Из изложенного следует, что вдув инородного газа, в данном случае гелия, в пограничный слой заметно влияет на характер течения, и его использование для визуального изучения обтекания тел воздухом может привести к ошибочной интерпретации физических явлений, которые имеют место без вдува.

В некоторых случаях вдув гелия может быть использован для исследования характера и структуры потока. Например, при изучении застойных областей и зон обратных течений примесь гелия локализована в них и не оказывает влияния на обтекание других участков модели. При этом использование даже отдельных струек не должно заметно влиять на форму течения. По характеру взаимодействия струйки выдуваемого газа с потоком можно судить о виде течения в данном месте. Отклонение струйки гелия указывает на направление течения, а величина отклонения дает представление о скорости потока. Последовательно вдувая газ через разные дренажные отверстия, можно исследовать течение вблизи поверхности в окрестности вдува. Следует отметить, что такой метод, дающий качественную информацию о характере обтекания в указанных выше областях, весьма удобен в случае проведения экспрессанализа течения около исследуемой модели с дренажными отверстиями.

На фиг. 1 приведена кинограмма теневой картины обтекания модели крыла при вдуве гелия в зону отрыва с передней кромки. Интервал времени между

двумя последовательными кадрами равен 0,00025 с. Для освещения использовалось монохроматическое излучение гелий-неонового лазера, поэтому на теневую

п = 10°; 5 = 0; и=И,7 м/с .

Фиг. 1

а=0; 5 = 5°; и = 6,7 м/с Фиг. 2

картину наложено изображение системы дифракционных колец. Скорость набегающего потока равна 11,7 м/с, угол атаки крыла а=-]-10о, угол отклонения закрылка 8=0°. По перемещению гелиевых масс на кадрах кинопленки можно оценить скорость течения воздуха у поверхности крыла, а по наклону струек можно определить, что на поверхности модели имеется точка, от которой в противоположные стороны расходятся два потока.

Пример исследования отрыва с закрылка при нулевом угле атаки самого крыла приведен на фиг. 2. Вдув осуществляется через одно отверстие на закрылке, а расход гелия последовательно увеличивается. Наиболее сильно взаимодействует с потоком верхняя часть струйки, где ее сечение велико, а скорость выдуваемого гелия мала. Увеличивая или уменьшая количество вдуваемого гелия, можно регулировать в пространстве расположение эффективной области взаимодействия струи с потоком и, таким образом, исследовать течение на различном удалении от поверхности модели. Так, при малом расходе гелия весь он уносится течением в зоне отрыва (фиг. 2, а). При большем расходе часть струйки переходит границу зоны, а часть захватывается течением в зоне отрыва (фиг. 2,6)-При еще большем расходе весь гелий проходит через границу зоны отрыва и уносится внешним потоком (фиг. 2, в).

Пример исследования обтекания закрылка с номощью одинакового вдува гелия через несколько дренажных отверстий на закалке приведен на фиг. 3.

Скорость потока в трубе менялась от 6,7 м/с до 21,7 м/с. Из анализа фотографий следует, что вначале на закрылке имеет место обратное течение, скорость которого увеличивается с увеличением скорости набегающего потока. Это можно определить по наклону струек па фиг. 3, а, б, в. При скорости набегающего потока а = 19,7 м/с происходит ликвидация обратного течения, и обтекание закрылка становится безотрывным (фиг. 3, г, д).

а=0; 5 = 15°; а—и=6,7 м/с; б—«=8,8 м/с; е—и = 11 м/с; г-и=19,7 м/с; д—и=21,7 м/с

Фиг. 3

ЛИТЕРАТУРА

1. Холдер Д., Норт Р. Теневые методы в аэродинамике. М., „Мир", 1966.

2. Мятковский Н. О., Орлов А. А., Харченко В. Н. Визуализация течения при вдуве инородного газа методом лазерной интерферометрии. „Ученые записки ЦАГИ“, т. IV, № 1, 1973.

3. Божков В. М., Мозольков А. С. Определение профильного сопротивления с помощью интегрирующей гребенки. „Ученые записки ЦАГИ, № 1, 1972.

Рукопись поступила 231Ш 1973 г.