CC BY
50
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ДАТИ
ТомГххГі 1 9 9 1
М 2
УДК 533.6.071.08: 531.787
ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБТЕКАНИЯ МОДЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ
С. А. Ковальногов, В. Ю. Тер-Григорян, Г. К. Шаповалов
Приведены результаты разработки емкостных тонкопленочных датчи-к0в пульсаций давления и экспериментальных исследований с их помощью пульсаций давления на стенке рабочей части малотурбулентной трансзвуковой аэродинамической трубы, а также на поверхности сверхкритическо-го профиля при трансзвуковых скоростях.
В настоящее время все большую актуальность приобретает проблема бездренаж-ных методов исследования аэродинамических особенностей обтекания моделей. Необходимость измерений в широком диапазоне частот требует использования миниатюрных преобразователей, располагаемых как можно ближе к изучаемой поверхности. Механическая обработка поверхности для крепления этих преобразователей часто сложна, а иногда просто невозможна, как, например, в случае размещения их вблизи передней и задней кромок тонких профилей, встречающихся в турбомашинах (максимальная толщина 3 мм). Кроме того, поскольку эта обработка нарушает аэродинамические, механические и тепловые характеристики профиля, такие измерення не вполне кор-' ректны.
Одним из методов исследования, не требующим механической обработки поверхности изучаемого объекта, является метод, основанный на использовании тонкопленочных датчиков пульсаций давления емкостного типа, впервые разработанных в ONERA (Франция) [1].
В настоящей статье представлены результаты применения отечественных датчиков типа ДЕФ (датчик емкостной фольговый) с электродами из константа новой фольги для исследования особенностей обтекания моделей. Используемые датчики изготавливаются блоками. Конструкция блока представлена на рис. 1, а. Блок датчиков ДЕФ состоит из общего верхнего электрода 1, из нижних электродов 3 из константановой фольги толщиной 6 мкм, закрепленных на подложке из полимеризованной пленки лака ВЛ-931 толщиной 30—40 мкм. Размеры каждого электрода 6Х10 мм. На общей подложке с верхним электродом изготавливается' верхний экран б, который затем электрически объединяется с нижним экраном 4, представляющим собой сплошной слой фольги. Перфорированная пленка 2, используемая для усиления чувствительности датчика ДЕФ, изготавливается из полимеризованной пленки лака ВЛ-931 (диаметр перфорации 0,8 мм). Выводные проводники 7 изготавливаются из медной проволоки диаметром 0,18 мм, припаиваются к контрольным площадкам электродов и к экранам припоем ПОС-61. Общая толщина блока датчиков ДЕФ Л = 150 мкм. С помощью разработанных датчиков ДЕФ исследовались аэродинамические особенности обтекания моделей на до- и трансзвуковых скоростях. Испытания были проведены в трансзвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе. На поверхности суперкрити-ческого профиля с хордой £ = 150 мм и относительной толщиной с=0,12 по разработанной технологии были установлены 4 блока датчиков ДЕФ. Расположение датчиков на поверхности профиля представлено на рис. 1, б, где х{; — координаты центров
хп=0,05 п гп Худ 0,05
Х ,2=0,11 п гп Х^7=0,П
*із=0Л гп гп х^=0,17
хн=0,13 п гп
х,5=0,29 гп гп Х'^=0,29
х15 =0,35 п гп х ц.у~0,35
х,7 =0Щ гп гп X12.= 0,41 \
х1Я=0,47 п гп Х¥І-0,Ї7 \
х21=0,55 гп гп
хг2=0,£1 гп гп Хп
хгз=0,67 гп гп х3/ =0,67
Х21(-=0,73 гп гп Х35=0,73,
хгз=0,79 гп гп ■
Х2е=0,85 гп гп -0,85
х27=0,31 гп гп ХЛ =0,91
хгв=0,97 гп гп Хл=0,97
Рис. 1
чувствительных элементов датчиков отнесенные к хорде. Индекс і обозначает номер блока, индекс j — номер датчиков в блоке.
Для согласования сигнала датчиков с измерительной аппаратурой в работе использовались специально разработанные предусилители, которые через 10-канальный переключатель соединялись с электронным усилителем (коэффициент усиления Ку=250). После усиления сигнал поступал на цифровой вольтметр В7-16, фиксирующий эффективное значение переменного напряжения, на осциллограф С-48Б и на спектроанализатор.
Спектры пульсаций давления измерялись непосредственно в процессе эксперимента в 1/3-октавных полосах частот с помощью спектроанализатора фирмы «Брюль и Къер», состоящего из измерительного усилителя типа 2607, фильтра 1614 и самописца уровня типа 2305 в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
Испытания профиля проводились при М=0,8 и 0,4 (скачковый и бесскачковый режимы) при углах атаки а=О и 4". Исследования на стенке рабочей части проводились при тех же числах М. Для контроля показаний датчиков на стенке рабочей части использовался микрофон типа 4135 фирмы «Брюль и Къер». Сигнал микрофона также подавался на спектроанализатор.
На рис. 2, а представлены распределения пульсаций давления по хорде профиля на режимах М=0,4, а=О и М=0,4, а=4°- Примерно до 40% хорды различий в уровне пульсаций при изменении угла атаки от О до 4° не наблюдается. Начиная с 40'%
хорды уровень пульсаций давления при а=4° заметно выше, чем при а=О. Как из-
вестно из экспериментов по измерению распределения давления на профиле, как раз на этих режимах по числу М и углу атаки на 40% хорды начинает развиваться диф-фузорный отрыв, рост уровня пульсаций давления обусловлен этим явленнем.
- Сравнение спектральных характеристик пульсаций на этих режимах на примере датчика N° 3 и 4, рис. 3, б показывает, что в спектрах, полученных при а=4°, появляется характерная выпуклость в области частот 200+ 1000 Гц. Сравнение спектров сигналов остальных датчиков позволяет проследить развитие этой выпуклости.
На рис. 3, а представлено распределение пульсаций давления по хорде профиля на режимах М=0,4, а=О и М=0,8, а=О. Здесь также наблюдается заметный рост уровня пульсаций давления при М=0,8, начиная, примерно, с 60% хорды. Сравнение
спектральных характеристик на примере того же датчика № 3—4, рис. 3, б, показы-
вает, что на режиме М=0,8, а=О в области частот 200+2000 Гц появляется характерная выпуклость. Ее развитие также хорошо прослеживается при сравнении спектров сигналов остальных датчиков. Проведенные ранее исследования обтекания данного профиля на режиме М=0,8, а=О [2] показали наличие скачка уплотнения в районе
Рис. 4
р/о'
Поток
N датчика
Рис. 5
О
2
3
5
4
х= 0,7 (естественный переход). По предварительным исследованиям при наличии тур-булизатора, обусловлнвающего переход на передней кромке, скачок сдвигается на 10% вперед, что хорошо видно на рис. 4, на котором показано положение скачка при наличии турбулизатора на данном профиле на режиме М=0,8, а=О. В нашем случае роль турбулизатора выполнили наклеенные на профиль блоки датчиков.
Для оценки воспроизводимости работы датчиков ДЕФ были проведены повторные испытания, отмеченные на рис. 2, а и рис. 3, а пунктириыми линиями. Результаты повторных испытаний практически совпадают с предыдущими.
На рис. 5 представлены уровни пульсаций давления, полученные с помощью датчиков ДЕФ на стенке рабочей части трубы при М=О,8 (рис. 5, а) и при М=О,4 (рис. 5, б). Для сравнения пунктирной линией нанесены уровни пульсаций, измеренные с помощью микрофона типа 4135. Отклонение показаний датчиков на переднем крае связано с наличием ступеньки, образованной блоком датчиков, что обусловливало местные возмущения потока.
На рис. 6, а приведены для сравнения спектры пульсаций давления, полученные с помощью датчиков ДЕФ на стенке рабочей - части и коитрольного микрофона при М=0,4; на рис. 6, б — при М=О,8. Характеры спектров совпадают.
20
200
2000
/,Лг
20
200
2000
/А
Рис. 6
Следует отметить, что в ходе испытаний не было выявлено ни одного отказа датчиков. Таким образом, результаты испытаиий показали, что созданные тонкопленочные емкостные датчики пульсаций давления ДЕФ надежно работают в условиях трубы и позволяют по росту уровня пульсаций и характерному изменению спектра сигнала судить о иаличии, области расположения и характере развития таких аэродинамических особенностей обтекания, как отрывы и скачки уплотнения. В перспективе подобные датчики могут быть использованы для индикации перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный.
ЛИТЕРАТУРА
1. Р о r t а 1 М., С h а t а п i е r М. Les capteurs pelliculaires de pres-sion et leurs applications. — А Recherches aerospatiale, аппе1 1982, N 3 (mai—juin) .
2. К о в а л ь н о г о в С. А., Ф о м и н В. М., Ш а n о в а л о в г. к. Эксперимеитальные исследования возможности пассивного управления взаимодействием скачка уплотнения с пограничным слоем. —Ученые записки ЦАГИ, 1987, т. 18, Не 4.
Рукопись поступила 2/И1 1990 г.
