CC BY
49
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И
Том XXI 1990 № 3
УДК 533.6.071.082:532.526 629.7.015.3.062.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЛАМИНАРНО-ТУРБУЛЕНТНЫМ ПЕРЕХОДОМ С ПОМОЩЬЮ ЛАМИНАРИЗИРУЮЩИХ ПЛАСТИН
И. А. Белов, В. М. Литвинов
Исследовано влияние плоско-параллельных ламинаризирующих пластин, вводимых в ламинарный пограничный слой, на развитие искусственно возбуждаемых вихревых возмущений и на положение ламинарно-тур-булентного перехода. Показано, что введение ламинаризирующих пластин приводит к подавлению пристеночных пульсаций скорости и при определенных условиях к смещению перехода вниз по потоку.
Известно, что процесс ламинарного и турбулентного обтекания тел, а также переход к турбулентности сопровождается возникновением и развитием в пограничном слое вихревых возмущений, существенно влияющих на структуру пристеночного течения и на величину поверхностного трения [1, 2]. Существует ряд способов управления состоянием пограничного слоя, применение которых позволяет снизить сопротивление трения за счет воздействия на структуру вихревых возмущений. Эти способы можно условно разделить на активные и пассивные. Активные способы управления пограничным слоем, такие как отсос воздуха [3, 4], общее охлаждение или локальный нагрев поверхности [5—7], акустическое облучение модели [8], введение в пограничный слой полимерных добавок или искусственно создаваемых в противофазе к вихревым волнам Толлмина — Шлихтинга возмущений [9, 10] предназначены, как правило, для воздействия на ламинарный пограничный слой и способствуют увеличению протяженности области ламинарного течения. К пассивным способам, предназначенным в основном для снижения турбулентного трения, можно отнести нанесение на обтекаемую поверхность продольных канавок [11, 12], выполнение стенок в виде волнистых поверхностей [13], введение в пограничный слой специальных устройств — разрушителей больших вихревых структур и «выбросов», генерируемых в турбулентном пограничном слое [14].
Интерес к решению проблемы снижения сопротивления трения с помощью пассивных методов в последние годы значительно возрос. Проведен ряд экспериментальных исследований, подтвердивших возможность управления структурой пограничного слоя и значительного снижения местного поверхностного сопротивления с помощью пассив-
ных элементов, выполненных, например, в виде хонейкомбов [15, 16]. Однако относительно большое дополнительное сопротивление самого устройства не позволило на данном этапе исследований получить выигрыш в полном сопротивлении.
Целью настоящей работы является исследование возможности управления состоянием пограничного слоя с помощью ламинаризирую-щих плоско-параллельных пластин, вводимых в отличие от ранее проведенных работ, не в турбулентный, а в ламинарный пограничный слой. В частности, подробно изучены особенности процесса гашения искусственно вводимых в пограничный слой возмущений типа волн Толлми-на — Шлихтинга в зависимости от геометрических параметров пластин и их местоположения, а также выявлено влияние пластин на структуру течения и на ламинарно-турбулентный переход.
1. Экспериментальные исследования проводились в дозвуковой аэродинамической трубе диаметром 1,2 м с открытой рабочей частью при скорости потока 10,7 м/с и степени турбулентности ~0,3%. В качестве модели использовалась плоская металлическая пластина размерами 1000X500X20 мм с эллипсообразным носком длиной 250 мм и соотношением полуосей 1:30 (рис. 1). Модель была снабжена ограничительными шайбами и закрылком, расположенным на расстоянии 940 мм от носка на высоте 80 мм. Ламинаризирующие пластины различной ширины 6,3; 10,6; 15 и 19,4 мм были выполнены из стали толщиной 0,1 мм. Длина каждой из пластин составляла 480 мм. Обычно на модели устанавливалась одна из ламинаризирующих пластин, которая крепилась поперек модели между боковыми шайбами параллельно поверхности модели с возможностью регулировки натяжения. Высота расположения пластины фиксировалась с помощью сменных вставок в диапазоне от 2,4 до 4,7 мм, что составляло 0,54—1,7 от толщины пограничного слоя 60 в месте установки пластины (Хпл = 500 мм, 60=4,4 мм).
Модель устанавливалась в рабочей части трубы в горизонтальном положении и крепилась к цилиндрической вертикальной стойке.
При данных размерах модели (£=1 м) переход течения к турбулентности при скорости набегающего потока 10,7 м/с (Неь = 7,2-105) произойти не успевал. Для формирования перехода и регулирования его положения относительно носка модели использовалась система искусственного возбуждения возмущений, которые генерировались в пограничном слое вибрирующей ленточкой, расположенной на относительном расстоянии Х = 0,21 от передней кромки модели на высоте от поверхности — 0,2 мм. Возбуждение ленточки осуществлялось в поле постоянного магнита, расположенного снизу модели, при пропускании через нее переменного тока от генератора Г3-34 частотой /в в диапазоне 73-200 Гц, что соответствовало изменению величины частотного параметра ^ в диапазоне
2л/„ ч
(59^ 163)-10-6 (/=• =
А-
где V
Рис. 1. Схема экспериментальной модели:
/—вибрирующая ленточка; 2—ламинаризи-рующая пластина; 3—датчик термоанемометра; 4—насадок полного напора; 5—закрылок; 5—сменные вставки; 7—ограничительная шайба
кинематическая вязкость).
На рис. 4,6 приведена зависимость положения перехода от относительных пульсаций скорости, измеренных в пограничном слое (у^0,2 мм)
в сечении Х = 0,46 и обусловленных возбуждением ленточки на частоте 110 Гц, соответствующей наиболее быстро нарастающим возмущениям.
Описанная система управления переходом позволяла менять характер течения в месте установки ламинаризирующей пластины (Х= = 0,5) без изменения положения пластины вдоль оси X, так как по мере увеличения начальной амплитуды возмущений, пластина оказывалась то на ламинарном, то на переходном, то на турбулентном участках течения в пограничном слое.
В процессе экспериментальных исследований параметры течения на модели с ламинаризирующей пластиной и без нее контролировались и измерялись в центральной плоскости симметрии модели (2 = 0,25) в трех сечениях, отстоящих от передней кромки соответственно на расстоянии X, равном 0,46; 0,53 и 0,856. Измерение в указанных сечениях профилей средней относительной продольной составляющей скорости
и У й'2
у— и среднеквадратичных пульсаций скорости ец=—-—, величины
со со
л У^1
амплитуды вихревои составляющей пульсации скорости А — —- ,
со
л /
а также коэффициента нарастания амплитуды возмущений N = 1п
осуществлялось с помощью термоанемометрической аппаратуры и многоканального анализатора спектра СК4-72. Определялся также коэффициент гашения возмущений у, который характеризовал относительное уменьшение амплитуды возмущений при введении в пограничный
^4 _д
слой ламинаризирующей пластины: у = —^——, где Апл и А0 соот-
ветственно амплитуды возмущений, измеренные на модели с пластиной и без нее. Перемещение датчика термоанемометра в проведенных опытах осуществлялось с помощью дистанционно управляемого коорди-натника. Кроме этого, в третьем контрольном сечении {Х = 0,856) профили скорости снимались также с помощью насадка полного напора, имевшего эллиптическую форму приемного отверстия с размерами 0,1X1,2 мм и толщиной стенок 0,1 мм. Система измерения включала индукционный датчик перепада давления ИКД-0,016, интегрирующий цифровой вольтметр (ДИСА 55Д31) и одностепенной координатник с электронным пультом управления (шаг перемещения насадка полного напора по у составлял 0,1 мм).
2. На первом этапе экспериментальных исследований было выявлено влияние ламинаризирующей пластины на осредненные и пульса-ционные характеристики течения. Так, в профиле скорости за пластиной наблюдается «провал» скорости из-за подтормаживания потока, обусловленного лобовым сопротивлением и сопротивлением поверхностного трения пластины (рис. 2,а). Дефект скорости с увеличением относительной длины хорды пластины 1пл = -~- возрастает и при наибольшей
длине хорды /пл = 4,4 бо составляет 0,34 от скорости набегающего потока. Анализ распределения пульсаций скорости свидетельствует о том, что введение в пограничный слой пластины приводит также к существенной перестройке в профиле пульсационной составляющей скорости по толщине пограничного слоя. В верхних слоях течения (0,45бо<г/<0,7 6о), из-за наличия следа за пластиной, наблюдается увеличение пульсаций скорости (рис. 2,6, кривая 2). В нижних слоях течения (0<у<0,45 б0), наоборот, амплитуда пульсационной составляющей скорости значитель-
л
ІСІІС
но
20
п
1
Рис. 3
Рис. 2, а. Профили скорости в сечении /=0,53:
1—без пластины, 2—5 — с пластиной Апл =0,66; 2_1пл = 1,43, 3—2,4, 4—3,4, 5—4,4
Рис. 2, б. Профили относительных пульсаций скорости в сечении Х=0,53:
1—без пластины, 2—с пластиной: Лпл = 0,66,
1пл =1,43
Рис. 2, в. Зависимость длины следа за ла-минаризирующей пластиной от размера ее хорды и относительной высоты установки в пограничном слое:
1 - йпл = 0,66, 2 - 0,93
но (в два—четыре раза) уменьшается (амплитуды возмущений отнесены к максимальной измеренной в отсутствии пластины).
Таким образом, введение в ламинарный пограничный слой пластины приводит с одной стороны к дополнительной турбули-зации течения, а с другой — к ла-минаризации течения в пристеночной области.
Основная задача дальнейших исследований заключалась в выявлении условий, при которых наиболее сильно проявляются ламинари-зирующие свойства пластищл, вводимой в пограничный слой течения, и в использовании этих свойств для управления ламинарно-турбулентным переходом. В частности, исследовалась эффективность воздействия пластины на искусственно генерируемые возмущения различной частоты и амплитуды в зависимости от местоположения пластины по толщине пограничного слоя, ее геометрических размеров. Эффективность подавления амплитуды пульсационной составляющей скорости оценивалась по величине коэффициента гашения у, равного относительному изменению амплитуды возмущений при введении пластины в пограничный слой. Коэффициент у измерялся в точке пристеночного течения (Х=0,53, у=0,06, 2 = 0,25) на расстоянии от середины пластины ДХ = 6,8б0. Проведенные исследования показали, что гасящее действие пластины возрастает с увеличением относительной длины хорды.
В частности, для пластины с длиной хорды /пл, равной 4,4 б0 коэффициент гашения возмущений у равен 0,9 т. е. амплитуда возмущений, благодаря введению в пограничный слой пластины, уменьшилась на порядок (см. рис. 3, а). Величина коэффициента у существенно зависит
также от относительной высоты установки пластины /гпл = -^р- в пограничном слое. Так, например, для пластины с относительной длиной хорды 1пп — 2,4 максимальный эффект гашения возмущений достигается при расположении пластины на высоте, равной 0,8 бо (рис. 3,6). Наличие за пластиной следа приводит к ограничению протяженности зоны, в которой сказывается гасящее действие пластины. Исследования показали, что длина следа уменьшается как с увеличением длины хорды, так и с уменьшением высоты установки пластины. Максимальная длина следа за пластиной с хордой /Пл=1,4 при /гПл = 0,66 составляет /-с = 43 бо, а с хордой /Пл = 3,4 — всего лишь 18 бо (см. рис. 2, в). В проведенных экспериментах за длину следа принималось расстояние от места расположения пластины до точки, в которой величина пульсаций скорости достигала 1 % при перемещении датчика термоанемометра вдоль поверхности модели на высоте порядка 0,2 мм.
Необходимо отметить, что приведенные выше данные получены при воздействии пластины на искусственно возбуждаемые возмущения частотой 110 Гц. Неустойчивые волны данной частоты характеризовались наибольшей скоростью пространственного нарастания, благодаря чему удавалось формировать переход на модели при малых амплитудах начальных возмущений. Эффективность воздействия пластины на возмущения других частот (/в = 73—200 Гц) проиллюстрирована на рис. 3, в, где дана зависимость коэффициента гашения возмущений у от параметра, характеризующего отношение длины хорды пластины
к длине волны возмущений Хв = (У* — фазовая скоростьвозмуще-
/в
ний частотой /в). Из рис. 3, в следует, что, например, при фиксированной длине хорды пластины эффективность гашения волны увеличивается с уменьшением длины волны, т. е. с ростом частоты возмущений.
Для определения протяженности зоны ламинаризирующего влияния вводимой в пограничный слой пластины были проведены измерения коэффициента пространственного нарастания возмущений N. Типичные кривые нарастания возмущений приведены на рис. 4, а. Введение пластины приводит к уменьшению амплитуды возмущений и к замедлению роста коэффициента N на участке течения за пластиной протяженностью порядка 22 бо.
При измерении пульсационных характеристик в переходной зоне течения было также установлено, что ламинаризирующее влияние пластины на течение в пограничном слое приводит к смещению ламинарнотурбулентного перехода вниз по потоку. Так, например, пластина с длиной хорды /Пл = 2,4 6о, установленная на высоте /гп„ = 0,93б0, способствует затягиванию перехода в широком диапазоне изменения уровня пульсаций скорости (рис. 4,6), величина которых измерялась перед пластиной в сечении Х = 0,46. Положение точки перехода определялось по максимуму пристеночных пульсаций скорости при перемещении датчика термоанемометра вдоль обтекаемой поверхности модели. Как показали проведенные исследования, затягивание перехода наблюдается в случае, если ламинаризующая пластина расположена в начале переходной зоны, где пульсации скорости ги достигают уровня 2—4%, а
а) о
Рис. 4, а. Кривые нарастания возмущений частотой 110 Гц:
/—без пластины; 2—с пластиной:
— 2,4, йпл = 0,93
Рис. 4, б. Положение ламинарно-турбулентного перехода от величины относительных пульсаций скорости:
1—без пластины; 2—с пластиной:
1пл ~ 2,4, Лпл = 0,93 Рис. 4, в. Кривые нарастания пульсаций скорости в переходной зоне течения:
1—без пластины; 2—с пластиной: £пл==2,4, Лпл = 0,93
Рис. 5, а, б. Зависимость интегральных параметров за ламина-ризирующей пластиной в сечении Х=0,53 от длины ее хорды при Л —0,66
Рис. 5, в. Влияние ламинаризи-рующей пластины на относительное изменение толщины потери импульса в сечении Х=0,856: /-“/пл = 2.4; Лпл=0,93 5-1Пл = 1.4; ЛПЛ-0,79 2 —/пл= 1 *4; Лпл = 0,93 4—/пл=1>4; /гпл=0,86
длина следа за пластинои превышает протяженность пере-ходной зоны течения. На рис. 4, в приведены типичные кривые нарастания относительных пульсации скорости на модели с пластинами (кривая 2) и без нее (кривая 1), снятые при перемещении датчика термоанемометра вдоль потока на постоянном удалении от стенки (у«0,4 мм). Видно, что введение в пограничный слой пластины (/гпл = 0,93 60, /Пл = 2,4б|), ^пл — 0,5) приводит к снижению уровня пульсаций скорости за пластиной и в итоге к смещению вниз по потоку ламинарно-турбулентного перехода на расстояние порядка 40 мм.
Влияние геометрических параметров ламинаризирующей пластины на интегральные характеристики течения: относительную толщину
вытеснения 8* =
"пл
X* *
В0
относительную толщину потери импульса
и формпараметр Н —
-5^- , измеренные в контрольном сече-
5пл
нии Х = 0,53, отстоящем от середины пластины на расстоянии ДА = 6,860, проиллюстрировано на рис. 5, а, б (80 и Во —соответственно величины толщин вытеснения и потерь импульса в отсутствии пластины). С увеличением относительной длины хорды пластины в диапазоне 1пл = = 1,4—4,4 толщины вытеснения и потери импульса подрастают соответственно на 43 и 32%, а формпараметр на 15%. Измерения показали, что интегральные параметры в ближней зоне за пластиной (Х=0,53) при варьировании амплитуды искусственно возбуждаемых возмущений еА в диапазоне 0—1,59% не изменялись, а течение носило ламинарный характер. В то же время, ниже по потоку, в контрольном сечении Х = 0,856, режим течения с увеличением еА менялся от ламинарного до турбулентного. Существенное влияние на интегральные параметры течения в указанном сечении оказывало также введение в пограничный слой ламинаризирующей пластины.
На рис. 5, в, для примера, проиллюстрирована зависимость относительной разности толщин потери импульса, обусловленной введением в пограничный слой пластины, от относительного расстояния пластины до точки перехода Ап, путем варьирования амплитуды искусственных возмущений, вводимых в пограничный слой на начальном участке течения (Х = 0,21). При этом расстояние от пластины до сечения, в котором измерялась толщина потери импульса, составляло ДХ=816о. Из анализа приведенных на рис. 5, в данных следует, что толщина потери импульса в контрольном сечении Х = 0,856 при введении в пограничный слой пластины с размером хорды, равным /пл=1,43 6о, становится меньше, чем без пластины. Максимальный выигрыш в толщине потери импульса, равный 6%, получается при установке пластины на высоте Лпл = 0,8660 и на расстоянии от перехода, равном 43 б0. Положительный эффект связан, по-видимому, с ламинаризирующим влиянием пластины на течение и с затягиванием роста пульсаций скорости за пластиной, что приводило к увеличению протяженности ламинарного участка течения за счет смещения перехода вниз по потоку (в эксперименте это смещение достигало 40—60 мм). Благодаря расширению зоны ламинарного течения при введении в пограничный слой пластины толщина потери импульса в контрольном сечении (Х = 0,856) в итоге становилась меньше, чем без пластины, несмотря на дополнительные потери импульса из-за лобового сопротивления и сопротивления трения пластины.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что введение в пограничный слой плоско-параллельной ламинаризирующей пластины приводит к существенной перестройке течения и при определенном расположении пластины (в начале переходной зоны течения на расстоянии /УС=(40—45)60 от перехода и высоте /гпл = 0,86 60) к задержке ламинарно-турбулентного перехода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.—М.: Наука, 1969.
2. Качанов Ю. С., Козлов В. В., Левченко В. Я. Возникновение турбулентности в пограничном слое. — Новосибирск: Наука, 1982.
3. Рейнольдс Г. А., С а р и к В. С. Экспериментальные исследования устойчивости пограничного слоя на плоской пластине с отсосом.— Аэрокосмическая техника, 1986, № 11.
4. К о з л о в В. В., Левченко В. Я., Щербаков В. А. Развитие возмущений в пограничном слое при щелевом отсасывании. — Ученые записки ЦАГИ, 1978, т. 9, № 2.
5. Качанов Ю. С., Козлов В. В., Л е в ч е н ко В. Я. Экспериментальное исследование влияния охлаждения на устойчивость ламинарного пограничного слоя. — Изв. СО АН СССР, сер. техн. наука, 1974, № 3, вып. 2.
6. Белов И. А., Казаков А. В., Коган М. Н., Купаре в В. А., Л и т в и н о в В. М. Устойчивость ламинарного пограничного слоя и затягивание перехода на неизотермической поверхности. — Аннотации докладов на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, Ташкент, 1986.
7. Казаков А. В., Коган М. Н., Купа рев В. А. Об устойчивости дозвукового пограничного слоя при нагреве поверхности плоской пластины вблизи передней кромки. — Изв. АН СССР МЖГ, 1985, № 3.
8. Власов Е. В., Г и невский А. С., Каравосов Р. К. Реакция неустойчивого ламинарного пограничного слоя на акустические возмущения. — В кн. Турбулентные течения. — М.: Наука, 1977.
9. Фр у м а н Д. Г., Г а л и в е л П. Аномальные эффекты, связанные с эжекцией полимера, уменьшающего сопротивление, в турбулентные пограничные слои чистой воды. — Снижение вязкостного трения. — М.: Машиностроение, 1984.
10. Пилипенко А. А., Шаповалов Г. К. Управление состоянием пограничного слоя путем введения искусственных возмущений. — Ученые записки ЦАГИ, 1986, т. 17, № 4.
11. Уолш М. Д. Сопротивление пластины с продольными пазами и ребрами. — Снижение вязкостного трения. — М.: Машиностроение, 1984.
12. Енютин Г. В., Лашков 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.
13. Качанов Ю. С., Козлов В. В., Л е в ч е н к о В. Я. Экспериментальное исследование устойчивости ламинарного пограничного слоя на волнистой поверхности. — Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1974, № 13, вып. 3.
14. Хефнер Д. Н., Вайнштейн Л. М., Бушнел Д. М. Уменьшение турбулентного сопротивления трения с помощью разрушения больших вихрей. «Снижение вязкостного трения». — М.: Машиностроение, 1984.
15. Sahlin A., Alfreds son P. Н., Johansson А. V. De-rect drag measurement for a flate with pussive boundary lager munupula-tors. — Phys. Fluids, 29(3), 1986.
16. Корке Т. К., Гуеценек И., Нагиб Г. М. Модификация сопротивления при турбулентном течении в пограничных слоях путем манипуляции со структурами большого масштаба. — Снижение вязкостного трения. — М.: Машиностроение, 1984.
Рукопись поступила 10/Х 1988
