CC BY
75
Том ХЬЇЇЇ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2012
№ 5
УДК 553.6.071.082:532.526
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УМЕНЬШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА
М. Н. КОГАН , В. М. ЛИТВИНОВ, Т. А. ПИМЕНОВА, А. А. УСПЕНСКИИ
Исследован один из перспективных способов управления течением в турбулентном пограничном слое, основанный на использовании диэлектрического барьерного разряда, возбуждаемого на обтекаемой поверхности с помощью продольно расположенных электродов. Приведены результаты опытов по влиянию различных схем электродов и параметров разряда на турбулентное сопротивление при скоростях потока в диапазоне от 11.6 до 40 м/с. Показано, что при воздействии диэлектрического барьерного разряда на течение возможно уменьшение сопротивления на 3 — 10%. Исследовано также влияние пониженного статического давления на величину наведенной разрядом скорости.
Ключевые слова: турбулентный пограничный слой, снижение сопротивления трения, диэлектрический барьерный разряд, генератор высоковольтных импульсов.
ВВЕДЕНИЕ
В экспериментальной аэродинамике уделяется большое внимание разработке методов управления течением в пограничном слое и средств уменьшения турбулентного сопротивления. Опыт показывает, что прогресс в авиации становится все медленнее и требует больших объемов исследований. К одному из возможных способов управления течением относится электрогазоди-намический (ЭГД) способ, который основан на возбуждении приповерхностных электрических разрядов, являющихся источниками низкотемпературной плазмы [1 — 3]. Воздействие на течение создается за счет направленного движения ионов в разряде, которые, ускоряясь в электрическом поле, передают свой импульс нейтральным молекулам газа.
КОГАН Михаил Наумович
доктор физикоматематических наук
ЛИТВИНОВ Владимир Михайлович
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦАГИ
ПИМЕНОВА Татьяна Анатольевна
младший научный сотрудник ЦАГИ
УСПЕНСКИИ Александр Александрович
ведущий инженер ЦАГИ
В качестве источника ионов может быть использован как емкостный частотный разряд, получивший в литературе название диэлектрического барьерного (ДБР) [1 — 9], так и униполярный коронный разряд [10 — 12]. Как показали исследования, проведенные в последние годы, более предпочтительным является диэлектрический барьерный разряд, с помощью которого можно реализовать ЭГД-воздействие на обтекание достаточно больших аэродинамических поверхностей при относительно небольших (3 — 10 кВ) величинах напряжения питания разряда.
Принципиальная возможность использования ЭГД-метода управления характеристиками пограничного слоя была показана в теоретических и экспериментальных работах [13 — 15], проведенных в 60-е годы прошлого столетия.
В последние годы, как в нашей стране, так и за рубежом вновь возник интерес к проблеме использования ЭГД-метода для решения задачи управления ламинарно-турбулентным переходом [9 — 11, 16 — 20], отрывом пограничного слоя [21, 22] и снижения сопротивления турбулентного трения [23 — 25]. Причинами возникновения этого интереса, по-видимому, являются определенные успехи в развитии техники создания электрических разрядов, а также появление ряда работ, в которых, в частности, указывается на возможность снижения сопротивления не только за счет реактивного эффекта, создаваемого наличием «ионного ветра», но и затягивания ламинарнотурбулентного перехода.
Для практических целей (ДБР) разряды предполагается использовать в основном на высотах ~ 10 — 12 км, где статическое давление составляет 150 200 Тор. Это означает, что в натур-
ных условиях пониженного давления характеристики разрядов могут существенно отличаться от тех, которые реализуются при нормальном давлении.
В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований уменьшения сопротивления турбулентного пограничного слоя с помощью поперечных сил, создаваемых диэлектрическим барьерным разрядом на плоских моделях с электродами, расположенными параллельно набегающему потоку. Исследовано также влияние пониженного статического давления на параметры горения разряда и на величину наведенной разрядом скорости.
1. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ
ИЗМЕРЕНИЙ
Опыты проводились в низкотурбулентной аэродинамической трубе незамкнутого типа с закрытой рабочей частью сечением 500 х 350 мм и длиной 2610 мм. Низкий уровень пульсаций скорости потока (~0.05%) в рабочей части достигался благодаря установленным в форкамере трубы сеткам и 11.6-кратному поджатию потока в сопле. Скорость потока изменялась в опытах в диапазоне 10 г 40 м/с, что соответствовало единичным числам Рейнольдса Яе1 = (0.7 г 2.7)106 м 1.
На рис. 1, а приведена схема эксперимента. За начало используемой системы координат принимался задний торец центрального электрода, ось х направлена по потоку, ось у перпендикулярна нижней стенке трубы, ось г перпендикулярна оси х по ширине трубы.
Рис. 1. Характеристики эксперимента: а — схема эксперимента: 1 — нижняя стенка трубы, 2 — модель актуатора, 3 — верхние электроды, 4 — нижние электроды, 5 — насадок полного напора, 6 — генератор высоковольтных импульсов (ГВИ), 7 — осциллограф; б — экспериментальные осциллограммы напряжения и тока разряда: 1 — напряжение, 2 — ток
Сменные модели актуатора устанавливались на нижней стенке рабочей части трубы и монтировались в вырезанном в ней окне заподлицо с поверхностью. Каждая из моделей представляла собой плоскую диэлектрическую пластину толщиной 1.5 мм и общими размерами 285x285 мм с системой медных параллельных между собой электродов, расположенных как на верхней (рабочей), так и на нижней поверхностях. На рис. 1, а изображена одна из множества испытанных в эксперименте моделей. Она содержит 11 параллельных электродов (каждый длиной х = 240 мм, шириной 3 мм и толщиной 0.05 мм), расположенных по направлению внешнего потока с шагом 24 мм. В качестве нижних электродов использовался общий сплошной электрод. Электроды были изготовлены в процессе химического электролитического травления двухстороннего фольги-рованного стеклотексталита.
Исследование влияния разряда на сопротивление модели проводилось при турбулентном режиме обтекания. Для формирования турбулентного пограничного слоя использовался «песочный» турбулизатор в виде полосы шириной ~ 50 мм, которая была установлена на нижней стенке сопла трубы перед рабочей частью. Расстояние от турбулизатора до передней кромки модели составляло 950 мм. Толщина турбулентного пограничного слоя в месте установки модели в зависимости от скорости набегающего потока изменялась в пределах 20 — 25 мм.
Для возбуждения диэлектрического барьерного разряда использовался генератор высоковольтных импульсов (ГВИ), одним из основных элементов которого являлся высоковольтный трансформатор. Импульсы в первичной низковольтной цепи трансформатора создавались с помощью транзисторного ключа. Питание транзисторного ключа осуществлялось через теристор-ный регулятор, который позволял управлять напряжением на входе высоковольтного трансформатора в пределах 50 — 300 В. Измерение и контроль параметров (тока 11 и напряжения У{) в первичной цепи производилось приборами постоянного тока. Генератор формировал высоковольтные импульсы амплитудой Ун = (1.5 — 6) кВ, которые подавались на верхние электроды модели. Продолжительность импульсов равнялась 20 мкс с частотой их следования 6.25 кГц. Контроль величины и формы напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора (в цепи, которая генерирует высоковольтное напряжение) осуществлялся с помощью цифрового осциллографа серии Rigol Б81000. На рис. 1, б проиллюстрированы типичные осциллограммы напряжения и тока, снятые на разряде. Виден симметричный характер изменения положительных и отрицательных импульсов высокого напряжения. Измерение профилей скорости в пограничном слое осуществлялось двумя насадками полного напора (НПН) различной конструкции. Первый НПН был изготовлен из нержавеющей стали и имел эллиптическое приемное отверстие с внешними размерами 0.4 х 1.46 мм при толщине стенок 0.1 мм. Для измерения скорости пристеночного течения непосредственно в зоне разряда использовался второй НПН в виде керамической трубки с наружным диаметром 1.3 мм и внутренним 0.7 мм. Перепад давления на НПН измерялся спиртовым наклонным микроманометром конструкции ЦАГИ.
При измерении параметров потока также использовался семиточечный приемник давления, который позволял измерять составляющие скорости потока и, V и V в широком диапазоне углов скоса потока (до 80°). Приемник давления представлял собой плотно спаянный пакет из семи трубок, каждая с внешним диаметром 0.8 мм и внутренним 0.45 мм. Профили температуры измерялись хромель-копелевой термопарой, диаметр горячего спая которой составлял « 0.3 мм. Термопара работала в дифференциальном режиме. При этом холодный спай размещался вне температурного пограничного слоя (во внешнем потоке), что обеспечивало измерение превышения температуры в пограничном слое по отношению к температуре потока.
Для оценки влияния разряда на сопротивление модели использовались метод Престона и интегральный метод, основанный на измерении профилей скорости перед моделью и за ней с последующим применением теоремы импульсов для пограничного слоя. Отметим, что второй метод часто использовался без рассмотрения пульсационных напряжений. Для оценки сопротивления применяется уравнение Рейнольдса для стационарного несжимаемого течения и уравнение неразрывности:
/ ди ди ди
р и--------+ V----------+ V—
^ дх ду дг
ди дv —w
— + — + — = 0. (1.1 б)
дx —у —г
Здесь члены в фигурных скобках ( ) представляют собой пульсации скорости.
Предположим, что разрядные электроды направлены вдоль набегающего потока и размещаются периодически с шагом к по оси г. Проинтегрируем второй член уравнения (1.1 а) от поверхности до некоторой высоты У выше толщины пограничного слоя:
!У ди л У !У —V , гУ ди гу дw
Г 0 ^у = VUІ0-Г 0 и —= V (У^ + Г 0 и -дхёу + Г 0 и -дгёу . (1.2)
Из уравнения (1.1 б) находим:
v(У) = ГУ —!ау=-ГУ -ГУ ^ау. (1.3)
^ ду ^0 дх }0 —г
Подставляя уравнение (1.3) в (1.2) получим:
г У ди , ттгУ ди , ттгУ дw , г У ди , г У дw , ..
I V—ау = -и I — ау-и I — ау +1 и — ау +1 и — ау . (1.4)
■'0 ду ■'0 дх ■'0 дг ■'0 дх ■'0 дг
Подставляя уравнение (1.4) в исходное уравнение (1.1 а) и полагая скорость потенциально-
“ I дР п ч
го течения постоянной (— = 0), получим:
дх
(г У ди , тгУ ди , тгУ 5^, г У ди, г У 5^, г У ди,
р| и — ау - и —ау - и\ —ау + и — ау + и — ау + w—ау ^ 0 дх ■>0 дх ■>0 дг ■» 0 дх ■» 0 д^ ■» 0 дг
г У д и , г У д2и , г У д 2и , г У — \и / , г
10дхт+10дута+10—т-р I+1
Л (
дх 0 ду 0 дг
у
д{и'2) Г у д(иУ} (■ у д(и''№1}
0 —х 1,0 ду 1,0 дг
Устремляя У к бесконечности и принимая во внимание, что (и\'}(х,0, г) = (и'^)(х,®,г) = 0 . получим:
( д г® , . , c®дuw , Л ди(х,0,г) р®д2и , ((•®S(u'w') , Л
р1—х1 0и (и - и - и\ 0 ^+101тау )=-»~—М0 а-р[!
или
т-,2 —5** ,-гГ®—w , r®—uw , , п ч г”д2и , и'^)
-ри “йТ_р!/Г0 ~^у+р\0 ~^Лу 0 -лдтау. (15)
_ „** г ® и ( и Л , -и
Здесь 5 =1 —11-I ау — толщина потери импульса; т = ц— — локальное поверх-
•'° и ^ и) -у
ностное сопротивление.
Теперь проинтегрируем уравнение (1.5) вдоль г от -Н/2 до +Н/2, предполагая, что благодаря
ди
периодическим условиям на этих границах w(х,у) = 0, — = 0, (и№(-к/2) = (и^ ’ (Н2)) ■ В этом случае мы получим:
— Г + к/2 ** , . 1 (• + к/2 , .
— Г 5 (х,г)ёг =----------Г т(х,0,г)с1г . (16)
дх* -к/2 У ’ ри2] - к/2 У ’
Для определения 5** необходимы измерения профилей скорости и (х, у, *) в сечении перед
электродами хо и в сечении хь на некотором расстоянии от концов электрода. Обозначим через Ь расстояние между этими сечениями. Интегрируя уравнение (1.6) по х, получим:
Ж = {^ Сх{_^т(х,0,г)С* =ри2[5** (хь,г) -5** (х0,х)] 0* . (1.7)
Безразмерный коэффициент сопротивления равен
2Ж
Сх =----^.
х ри2£
(1.8)
Здесь Ж — поверхностное сопротивление рассматриваемой пластины с площадью S = ЬН и сх — коэффициент сопротивления. Формулу относительного изменения сопротивления, обусловленного влиянием разряда на течение, можно записать следующим образом:
Лсх схС -сх Яш [5с**(хь,*)-5**(хо,*)]— {—Н/2[5**(хь,г)-5**(хо,0]^
{+Н/2 [5**(хь,*) —5**(x0,*)]
Н/21 J (1.9)
{—"ш [5 С (хь, *) — 5** (хь, *)]
{—т [5** (хь,*) — 5** (хо, *)]°2
где 5 с и Схс — параметры при включенном разряде, 5 и сх — параметры при отсутствии разряда. Полученный результат предполагает, что условия периодичности строго соблюдаются. В реальных условиях эксперимента очень трудно осуществить симметрию между электродами. Асимметрия возникает из-за неоднородностей материала модели и изготовления электрода. Большое число проведенных авторами экспериментов показывает, что большинство сделанных моделей в той или иной степени асимметричны.
С другой стороны, было показано, что если электроды слишком близко расположены по отношению друг к другу, то происходит взаимное влияние соседних электродов и толщина продольной потери импульса в итоге может увеличиваться. Следовательно, важно изучить в первую очередь воздействие разряда на характеристики течения при наличии одного продольного электрода. Однако при отсутствии периодических барьеров на практике поток может распространяться в обоих направлениях по оси *, перенося продольный импульс в направлениях у и *. В таком случае уравнение (1.9) неверно. Строго говоря, при интегрировании уравнения (1.5) по оси *,
е да г да ди^ г^д 2и р<»д( и'п’')
интегралы членов ри I —су, р| ----су, ц| —— су, р| —1---- ау стремятся к нулю, если
л0 д* *0 д* ■' 0 д*2 ■’ 0 д*
интегрирование происходит только от * = —да до 2 = +да.
В действительности, созданные электродом поперечные силы относительно быстро уменьшаются при движении от электрода, и уравнение (1.9) может быть использовано для качественной оценки эффекта снижения сопротивления.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
На первом этапе было исследовано влияние разряда на течение в турбулентном пограничном слое. На рис. 2 представлено изменение разности каждой из трех составляющих и, V и ^ скорости, измеренных при воздействии разряда и без него в плоскости (у, *) за многоэлектродной моделью (рис. 1, а) на расстоянии 15 мм от задних кромок электродов. Измерения были проведены при скорости потока 11.6 м/с семиточечным насадком при перемещении его в пограничном слое поперек потока на высоте у = 2 мм, где влияние разряда максимально. Из анализа рис. 2 видно, что структура течения под воздействием разряда существенно изменяется и становится трехмерной.
Рис. 2. Изменение компонент скорости в поперечном сечении (по оси *) за моделью актуатора (х = 15 мм, у = 2 мм) при воздействии разряда (УН = 4.7 кВ):
1 — Ли = ис - щ, 2— Лv = vс - vо; 3 — Л» = - »0, 4 — верхний электрод; 5 — диэлектрическая
пластина; 6 — нижний электрод
Интересно отметить, что все три составляющие скорости носят четко выраженный периодический характер по поперечной координате *. При этом продольная составляющая скорости Ли в сечении * = 0 при воздействии разряда увеличивается и достигает ~2 м/с, а в сечении между электродами * = 12 мм, наоборот, уменьшается на ~0.5 — 1.5 м/с.
Характер изменения составляющих скорости Лv и Л» указывает на наличие вихревого течения под действием поперечных электрических сил. В результате низкоскоростные слои течения над электродом перемещаются в зону между электродами и замещаются более высокоскоростными. Об этом свидетельствуют профили скорости (рис. 3, а), измеренные в ближней зоне (х = 15 мм) течения за электродом и между электродами. Видно, что за электродом (* = 0) профиль скорости при наличии разряда становится более наполненным, а в сечении между электродами (* = 12 мм), наоборот, менее наполненным. О вихревой природе течения свидетельствуют также и профили температуры, измеренные в разных сечениях по оси * при скорости потока 11.6 м/с (рис. 3, б).
Рис. 3. Доказательства наличия вихревого течения под действием поперечных сил: а — влияние разряда на профили скорости, измеренные в ближней зоне течения (х = 15 мм) за электродом (* = 0) и между электродами (* = 12 мм): 1 — * = 0, Ун = 4.5 кВ, 2 — * = 12 мм, Ун = 4.5 кВ, 3 — * = 0, Ун = 0; б — профили температуры потока за моделью (х = 15 мм) в различных сечениях по оси 1 — * = 12, 2 — 10 мм,
3 — 8 мм, 4 — 4 мм, 5 — 0 мм
Максимальное увеличение температуры потока в зоне за электродом на высоте у = 1 мм составляет ~ 3.5°, а между электродами ~ 12°.
Очевидно, что индуцированный разрядом вихрь сносит более теплые слои воздуха, нагреваемые разрядом около электрода, в центр между электродами и далее вниз по потоку.
Таким образом, разряд приводит к существенной перестройке структуры течения по всей толщине пограничного слоя. В частности, измерения поверхностного трения с помощью трубки Престона показали, что локальное трение вниз по потоку вдоль поверхности электрода увеличивается, а в центре между электродами — уменьшается (рис. 4). Это объясняется эффектом накопления воздействия разряда на течение по мере движения вниз по потоку.
Следует отметить, что метод Престона дает только качественную картину изменения поверхностного трения, так как измерения проводятся вблизи поверхности, где достаточно высокие поперечные скорости, наведенные разрядом, искажают результаты. В то же время наличие поперечных сил приводит к перераспределению импульса потока во всем объеме пограничного слоя. Поэтому для оценки эффекта воздействия разряда на сопротивление необходимы измерения распределения интегральных характеристик течения, в частности, толщины потери импульса по координатам у и г в зонах перед моделью и за ней.
При продольном расположении разрядных электродов необходимо определить оптимальную геометрию расположения электродов на поверхности, обеспечивающую наибольший эффект снижения сопротивления на контрольном участке поверхности. Одним из основных геометрических параметров в схеме расположения электродов является величина межэлектродного промежутка к. Очевидно, что оптимальная величина указанного параметра зависит как от скорости набегающего потока, так и от параметров разряда — амплитуды высокого напряжения и тока. Поэтому дальнейшие опыты были проведены на моделях, содержащих на обтекаемой поверхности один продольный электрод, для определения предельных зон воздействия на течение разряда как в поперечном, так и в продольном (вниз по потоку за моделью) направлениях.
Эксперименты были выполнены на модели с одним верхним электродом и системой из семи нижних электродов (рис. 5, а). Ширина нижних электродов модели последовательно увеличивается.
За моделью на расстоянии х = 10 мм от заднего торца электрода были измерены профили скорости в сечениях по координате ^ = 0, ±4, ±8, ±12, ±16, ±20 мм при разных скоростях потока ио = 11.6, 17.1 и 31.6 м/с. По профилям, измеренным при наличии и отсутствии разряда, были вычислены интегральные параметры течения: толщина пограничного слоя 5, толщина вытеснения 5*, толщина потери импульса 5** и формпараметр Н. Результаты вычислений относительной толщины потери импульса по оси г представлены на рис. 5, б. Видно, что в центральной области за электродом в диапазоне г = ±6 мм воздействие разряда приводит к снижению толщины потери импульса, а следовательно, и к снижению сопротивления на этом участке течения. В периферийных зонах течения, на участке от г = ±6 мм и до г = ±20 мм, относительная толщина потери импульса, наоборот, увеличивается, что соответствует повышению сопротивления. С увеличением скорости потока зона влияния разряда по перечной координате г сужается. Так, при скорости
11.6 м/с ширина зоны составляет г = ±20 мм, а при скорости 31.6 м/с г = ±12 мм. Это свидетельствует о том, что ширина межэлектродного промежутка в многоэлектродной схеме должна подбираться, в частности, с учетом скорости набегающего потока для исключения взаимного влияния электродов.
X, мм
Рис. 4. Изменение относительного локального сопротивления вдоль потока, измеренного трубкой Престона над электродом в сечении г = 0 и между электродами г = 12 мм при разных уровнях высокого напряжения на разряде:
1 — г = 0, Ук = 4.5 кВ, 2 — г = 0, Ук = 5.8 кВ, 3 — г = 12 мм, Ук = 4.5 кВ, 4 — г = 12 мм, Ук = 5.8 кВ
Рис. 5. Определение предельных зон воздействия на течение разряда:
а — модель с единичным верхним электродом и системой нижних электродов; б — изменение относительной толщины потери импульса в поперечном направлении (по оси г) в ближней зоне течения х = 10 мм при разных скоростях потока под влиянием разряда (Ук = 5.8 кВ): 1 — и = 11.6 м/с, Асх/сх = -9.5%,
2 — 17.1 м/с, Асх/сх
-6.6%, 3 — 31.6 м/с, Асх/сх
-3.25%
10
|Дс*|/с„%
На основе полученных данных была проведена оценка эффекта снижения сопротивления
модели с одним электродом на контрольном участке длиной 260 мм и поперечным размером,
равным ширине зоны влияния разряда, которая зависела от скорости набегающего потока. Величина относительного снижения сопротивления вычислялась по формуле (1.9). При скорости набегающего потока 11.6 м/с относительное уменьшение коэффициента сопротивления Асх/сх при воздействии разряда составило 9.54% (рис. 6). С увеличением скорости, при сохранении неизменным режима питания разряда (Ук = 4.4 кВ), выигрыш в сопротивлении уменьшался и при
и = 17.1 и 31.6 м/с составлял соответственно 6.6 и 3.25%. Снижение положительного эффекта, по-видимому, связано с неоптимальным режимом питания разряда. Очевидно, что с повышением скорости необходимо форсировать и режим горения разряда. Таким образом, показано, что возбуждение разряда в схеме модели актуатора с продольными электродами приводит к существенному изменению структуры течения в пограничном слое и,
в итоге, к заметному снижению сопротивления.
Здесь необходимо отметить, что разряд является источником не только силового воздействия на поток, но и тепла, приводящего к повышению температуры газа (см. рис. 3, б). На первом этапе исследования принципиальной возможности снижения турбулентного сопротивления при продольном расположении электродов влиянием нагрева потока при возбуждении разряда пренебрегалось. В проведенных опытах профили скорости при воздействии на течение разряда измерялись и строи-
\
\
\ ч N
10
15
20
25
30 35
и, м/с
Рис. 6. Зависимость относительного коэффициента сопротивления от скорости потока при воздействии на течение разряда (Ук = 4.4 кВ)
55*/6**
1.04
0.96
0.94
/ і г 3
\ \ ґ
1 1 1 0 I/ . 1
А
/І //'
-24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24
2,ММ
|ДСх|/С*,%
-
-
- Л
50
100
б)
150 200
дг.мм
Рис. 7. Воздействие разряда в дальней зоне течения: а — изменение относительной толщины потери импульса в поперечном направлении (по оси і) в дальней зоне течения (Ц = 17.1 м/с) за моделью с единичным электродом под воздействием разряда (У^ = 4.4 кВ): 1 — х = 10 мм, 2 — 100 мм, 3 — 200 мм; б — изменение относительного коэффициента сопротивления в зоне течения за моделью под воздействием разряда (У^ = 4.4 кВ) при скорости потока Ц = 17.1 м/с
лись без учета поправок на температуру потока. Учет реальной температуры потока приводит к увеличению скорости течения и к более наполненным профилям скорости, что является следствием уменьшения плотности газа. В результате толщина потери импульса и соответственно сопротивление, рассчитанные по уточненным профилям скорости, уменьшаются. Как показали оценки, выполненные на основе экспериментальных данных, полученных при скорости потока 17.1 м/с и напряжении на разряде 4.4 кВ, учет температуры потока приводит к дополнительному снижению сопротивления на 2.5% (с 6.6 до 9.1%). Таким образом, оценки сопротивления, выполненные без учета температуры потока, дают заниженные (на 2 — 3%) значения положительного эффекта.
В дальнейших опытах было установлено, что воздействие разряда наблюдается и в дальней зоне (на расстоянии порядка тридцати толщин пограничного слоя) течения вниз по потоку за моделью. Такой результат, по-видимому, обусловлен медленным восстановлением характеристик течения в пограничном слое.
На рис. 7, а приведены распределения относительной толщины потери импульса по оси ^ в сечениях, удаленных от заднего торца электрода модели, на расстояние х = 10, 100 и 200 мм. Результаты получены при скорости потока 17.1 м/с. Из рисунка следует, что по мере смещения вниз по потоку зона влияния разряда расширяется по поперечной координате. Характер распределения относительной толщины потери импульса при воздействии разряда сохраняется и в дальней области течения. Представление об изменении относительного сопротивления в зоне течения за моделью под воздействием разряда дает рис. 7, б. Видно, что эффект снижения сопротивления по мере смещения вниз по потоку от разряда линейно уменьшается. Однако даже на расстоянии 200 мм, соизмеримом с продольной длиной зоны горения разряда на модели актива-
Рис. 8. Снижение сопротивления протяженных участков обтекаемой поверхности:
а — схема эксперимента: 1 — нижняя стенка трубы, 2 — носик, 3 — модель № 1,
4 — проставка, 5 — модель № 2, 6 — дополнительная проставка; б — изменение относительной толщины потери импульса в поперечном направлении при горении разряда (У, = 4 кВ) на одной (№ 2) и на двух моделях: 1 — Ах = 10 мм,
По = 17.1 м/с, Аох/ех = -7.9%, 2 — Ах = 10 мм, По = 17.1 м/с, Аох/ех = -10%
тора, заметно влияние разряда, где наблюдается снижение коэффициента сопротивления на 3.9%. Для снижения сопротивления протяженных участков обтекаемой поверхности можно использовать схему последовательного возбуждения разряда на конечных участках течения с промежутками между ними. Эта идея была реализована при последовательном расположении двух моделей актуатора на нижней стенке рабочей части трубы.
Схема последовательного расположения двух моделей на нижней стенке трубы представлена на рис. 8, а. Каждая из моделей содержала по пять продольных плоских электродов с поперечным шагом 43 мм и сплошной нижний электрод. Ширина электродов первой модели составляла 4 мм, а второй, расположенной ниже по потоку за первой, 3 мм. Расстояние между задними торцами электродов первой модели и передними торцами второй составляло 140 мм.
Результаты эксперимента представлены на рис. 8, б в виде распределения относительной толщины потери импульса по оси ^ за второй моделью на расстоянии Ах = 10 мм (от задних торцов электрода), полученного при скорости потока 17.1 м/с и амплитуде высокого напряжения У, = 4 кВ. Кривая 1 получена при включении разряда только на второй модели, а кривая 2 — при включении разряда одновременно на двух моделях. Данный эксперимент был проведен для выяснения взаимного влияния моделей на общее сопротивление. Используя полученные данные, была проведена оценка эффекта уменьшения сопротивления при включении разряда только на второй модели. Величина снижения относительного коэффициента сопротивления в этом случае составила 7.9%. Включение разряда дополнительно на первой модели приводило к понижению относительного коэффициента сопротивления на 10%. Это доказывает возможность использования системы ряда последовательно расположенных моделей актуаторов с промежутками между ними, что позволит уменьшить сопротивление довольно протяженных участков обтекаемой площади.
Все эксперименты проводились при нормальном атмосферном давлении. Для натурных режимов полета характерные давления лежат в диапазоне 150 — 200 Тор, что соответствует
Рис. 9. Профили наведенной скорости: а — при статическом давлении 200 Тор: 1 — Ун = 2.3 кВ, 2 — 2.8 кВ, 3 — 3.2 кВ, 4 — 3.7 кВ, 5 — 4.2 кВ; б — при атмосферном давлении 749.5 Тор: 1 — Ун = 3.2 кВ, 2 — 3.7 кВ, 3 — 4.2 кВ, 4 — 4.6 кВ, 5 — 5.6 кВ
высоте ~ 10 — 12 км. С понижением давления характер горения и, соответственно, наведенная разрядом скорость будут меняться.
На рис. 9 приведена серия профилей наведенной разрядом скорости, измеренных при пониженном статическом давлении р§г = 200 Тор (рис. 9, а) и нормальном атмосферном давлении = 749.5 Тор (рис. 9, б) и при разных режимах питания разряда. Опыты проводились на модели с одиночным верхним и сплошным нижним электродами. Модель устанавливалась в вакуумной емкости диаметром 1 м и длиной 2.2 м.
Измерение профилей скорости осуществлялось в среднем сечении электрода на расстоянии от его боковой кромки 10 мм при отсутствии внешнего потока (и = 0).
Из сравнения рис. 9, а и 9, б видно, что понижение давления приводит к росту поперечного размера струи, но максимальные значения индуцированной разрядом скорости наблюдаются на удалении от поверхности у = 0.8 — 1.2 мм независимо от величины давления и амплитуды высокого напряжения. Увеличение высокого напряжения, подаваемого на электрод, приводит к росту наведенной разрядом скорости. При одинаковой величине высокого напряжения, например Ун = 4.2 кВ, при пониженном давлении достигается большая скорость, чем при нормальном (Пс1 = 3.1 м/с при рт = 200 Тор и ий = 1.6 м/с при рй = 749.5 Тор). Этот факт, по-видимому, обусловлен уменьшением концентрации нейтральных частиц при понижении давления и соответствующим увеличением интенсивности процесса ионизации (ток разряда увеличивался). При пониженном статическом давлении наблюдалось увеличение зоны горения разряда и ее более яркое свечение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально показана возможность уменьшения сопротивления турбулентного пограничного слоя при воздействии на течение диэлектрического барьерного разряда, возбуждаемого на модели с продольно ориентированными электродами. Течение при наличии разряда становится трехмерным и периодическим по поперечной координате. Установлен также эффект уменьшения сопротивления на участке поверхности, расположенном вниз по течению от зоны воздействия разряда.
Для практических целей диэлектрический барьерный разряд предполагается использовать в основном на высотах ~ 10 — 12 км, где статическое давление составляет ~ 150 200 Тор. Ис-
следовано влияние пониженного статического давления на величину наведенной разрядом скорости и на параметры разряда.
Авторы благодарят Ростова Н. В. за предоставление генератора высоковольтных импульсов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№°№ 08-08-00970-а, 09-01-00375-а, 10-08-01271-а).
1. Roth J. R., Sherman D. M., Wilkinson S. P. Electrohydrodynamic Flow Control with a Glow discharge Surface Plasma // AIAA J. 2000. V. 38, N 7, p. 1166 — 1172.
2. Roth J. R., Madhan R. Ch. M. Yadav M. Rah el J. Wilkinson S. P. Flow Field Measurements of Paraelectric, Peristaltic, and Combined Plasma Actuators Based on One Atmosphere Uniform Glow Discharge plasma // AIAA Paper 2004-845. 2004.
3. Roth J. R., Sherman D. M., Wilkinson S. P. Boundary layer flow control with one atmospheric uniform glow discharge plasma // AIAA Paper 98 — 0328. 1998.
4. Massines F., Ben Gadri R., Rabehi A., Decomps Ph., Segur P., Mayo u x Ch. Experimental and theoretical study of a glow discharge at atmospheric pressure flow controlled by dielectric barrier // J. of Applied Phisic. 1998. V. 83, N 6, p. 2950 — 2957.
5. Enl o e C. L., Mc L aug hl in T. E., V andy ken R. D., F i s c her J. Plasma structure in the aerodynamic plasma actuators // AIAA Paper 2004-0844. 2004.
6. Enloe C. L., McLaughlin T. E., Vandyken R. D., Kachner K. D. Mechanisms and Responses of a Single Dielectric Barrier Plasma Actuators. Plasma Morphology // AIAA J. 2004. V. 42, N 3, p. 589 — 594.
7. Art ana G.d’Adamo J., Leger L., Moreau E., Touchard G. Flow Control with electrohydrodynamic actuators // AIAA J. 2003. V. 40, p. 1773 — 1779.
8. Moreau E., Touchard G., Leger L.Labergue A., Louste C. Airflow control by electrohydrodynamic actuators // CNRS-ONERA Conference on Plasmas for Aerodynamic Flow Control, Combustion, and Stealth. — Institute Curie, Paris, March 31 — April 1, 2003.
9. Artana G., Adamo J., Leger L., Moreau E., Touchard G. Flow Control with electrohydrodynamic actuators // AIAA J. 2002, V. 40, p. 1773 — 1779.
10. Deanna A. Lacoste., David Pai., Christohe O’L a u x . Ion wind effects in a Positive DC corona discharge in atmospheric pressure air // AIAA Paper 2004-0354. 2004.
11. Leger L., Moreau E., Artana G., Touchard G. Influence of a DC corona discharge on the airflow along an Inclined Flat Plat // AIAA J. 2002. V. 40, p. 1773 — 1779.
12. Morrow R. The theory of positive glow corona // J. Phys. D-Appl. Phys. 1997. V. 30, p. 3099 — 3114.
13. Касьянов В. А. Исследование ЭГД-течений с приложением к задачам управления пограничным слоем и преобразования энергии // Дис. докт. техн. наук. — Киев: КИИГА. 1970, 604 с.
14. Мхитарян А. М., Боярский Г. Н., Касьянов В. А., Тишков А. Ф. Экспериментальное исследование частоты питающего напряжения на эффективность ЭГД УПС // Некоторые вопросы аэродинамики и электрогидродинамики. — Киев: КИИГА. 1969, вып. III, с. 93 — 97.
15. Ватажин А. Б., Грабовский В. И., Лихтер В. А., Шульгин В. И. Элект-рогазодинамические течения. — М.: Наука, 1983.
16. Курячий А. П. О затягивании перехода пограничного слоя электрогазодинами-ческим методом // ПММ. 1985. Т. 49, вып. 1, с. 107 — 114.
17. Казаков А. В., Курячий А. П. Оценка эффективности электрогазодинамиче-ского метода уменьшения аэродинамического сопротивления // МЖГ. 2001. № 2, с. 76 — 84.
18. Коган М. Н., Литвинов В. М., Пименова Т. А., Успенский А. А., Устинов М. В. Управление ламинарно-турбулентным переходом с помощью диэлектрического барьерного разряда // Ученые записки ЦАГИ. 2011. Т. XLII, № 6, с. 3 — 13.
19. Курячий А. П., Литвинов В. М., Успенский А. А., Шумилкин В. Г. Экспериментальное исследование воздействия приповерхностных емкостных частотных разрядов на течение в пограничном слое // Ученые записки ЦАГИ. 2007. T. 38, № 1 — 2, с. 102 — 111.
20. Курячий А. П., Мануйлович С. В. Ослабление неустойчивости поперечного течения в трехмерном пограничном слое с помощью объемного силового воздействия // Ученые записки ЦАГИ. T. XLII, № 3, 2011, c. 41 — 52.
21. Roth J. R., Sin H., Madhan R. Ch. M., Yadav M., Rahel J., Wilkinson S. P. Flow Re-attachment and acceleration by paraelectric and peristaltic electrohydrodynamic (END) effects // AIAA Paper 2003-0351. 2003.
22. P o s t M. L., C o r k e T. C. Separation control on high angle attack airfoil using plasma actuators // AIAA Paper 2003-1024. 2003.
23. W i l k i n s o n S. P. Investigation of an oscillation surface plasma for Turbulent Drag Reduction // AIAA Paper 2003-2199. 2003.
24. Khabiry S., Colver G. M. Drag Reduction by DC corona discharge along an electrically conductive flat plate for small Reynolds number flow // Physics of Fluids. 1997, V. 9, N 3, p. 587 — 599.
25. Malik M. R., Weinstein L. M., Hus s a i n i M. Y. Ion wind drag reduction // AIAA Paper 83-0 231. 1983.
Рукопись поступила 21/Х 2011 г.
