Исследования по визуализации следа течения на больших расстояниях за крылом Текст научной статьи по специальности «Физика»

________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XIII 1982

№ 6

УДК 533.6.074

533.6.071.082.5

ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВИЗУАЛИЗАЦИИ СЛЕДА ТЕЧЕНИЯ НА БОЛЬШИХ РАССТОЯНИЯХ ЗА КРЫЛОМ

В. М. Лапин, В. И. Рыбаков, Л. А. Эпштейн

Приводятся описание и результаты опытов по визуализаци следа за крылом на расстояниях до 250 хорд. Путем обработки материалов испытаний прослежены особенности развития и перемещения вихревой системы.

В последнее время в связи с увеличением размеров самолетов и с ростом загрузки аэропортов существенно повысилась актуальность проблемы вихревого следа, который сохраняется на расстояниях в сотни и даже тысячи хорд за пролетевшим самолетом. Вопросы следа играют важную роль и в ряде других практических задач, например, при заправке в воздухе и полете в строю.

Изучение следа в аэродинамических трубах, очевидно, не может быть выполнено в связи с малой длиной рабочей части. По-видимому, наиболее подходящей установкой для этих целей может явиться опытовый бассейн. Исследования в опытовом бассейне проводились, в частности, фирмой .Боинг*, причем след определялся с помощью системы специальных датчиков [11. Исследования в бассейне с визуализацией вихревого следа проводились в Калифорнийском университете в Ричмонде [2]. Образец полученной в этих опытах картины течения показан на рис. 1. Исследования вихревого следа с помощью лазерного ножа в аэродинамической трубе описаны в работе [3].

В настоящей работе приводится описание аппаратуры, 'методики и результатов опытов по получению картин течения в сечениях, расположенных за крылом на расстояниях до 250 хорд.

Рис. 1

1. Аппаратура и методика для визуализации течений на больших расстояниях за крылом или самолетом. Съемочная аппаратура устанавливалась в застекленной части опытового бассейна. Схема установки показана на рис. 2. Крыло / крепилось к стандартным устройствам буксировочной тележки, которая перед началом опыта отводилась в крайнее положение и к моменту прохождения крыла через плоскость съемки 7 успевала набрать скорость у=2 м/с. К одному из прозрачных участков боковой стенки дока кренилось зеркало 5 с размерами

0,3X1 м, которое могло поворачиваться вокруг вертикальной оси и закрепляться в нужном положении. Экспериментатор наблюдал и фотографировал аппаратом б с помощью зеркала жидкости в свечении 7 следа крыла. Съемки делались с выдержкой 1/8 с на пленке А-2 чувствительностью 180 ед. ГОСТ.

Ф

У 1 ©1

у- ж;

Ф Ф

Рис. 2

Луч лазера 2 .Игла 4М* сине-зеленого свечения после отражения от зеркальца 3 проходил через линзу 4, разворачивался в плоскость 7 и высвечивал предварительно сброшенные и перемещающиеся в плоскости 7 и вблизи нее визуализирующие частицы в виде миллиметровых шариков полистирола, удельный вес'которого по отношению к удельному весу воды составляет ~ 1,02. Устройство, сбрасывающее частицы полистирола, представляло собой корытообразный сосуд, закрепленный на горизонтальной оси, перпендикулярной направлению движения в передней части буксировочной тележки. Сосуд заполнен водой и погружен так, что над поверхностью воды в бассейне выступает только его бортик высотой 10 мм. На дне сосуда находятся предварительно смоченные частицы полистирола*. По сигналу сосуд поворачивается вокруг оси на 180’ и оказывается весь над уровнем воды, а* находившиеся в нем частицы медленно тонут, образуя .облако* в виде слоя толщиной ~ 100 мм, расположенного вдоль плоскости 7. Когда нижний край этого облака опускается на глубину 200 — 300 мм, дается сигнал на движение буксировочной тележки и включается осциллограф, на котором в момент прохождения задней кромки крыла через плоскость 7 дается отметка от установленного на рельсах путевого синхроконтакта. Последующие отметки делаются в моменты производства снимков. Кроме того, на ленте делаются временные отметки через 0,2 с.

Очевидно, что расстояние х крыла от плоскости съемки равно vt, где V— скорость тележки, а фиксируемый на осциллографе интервал времени между отметкой путевого контакта и отметкой момента съемки. Для пространственной привязки получаемых снимков предварительно при неизменном положении фотоаппарата фотографировались установленная в плоскости 7 квадратная сетка со стороной 50 мм и рейка со светящимися лампочками — реперами, которые

* Полистирол, высыпаемый на водную поверхность, долгое время удерживается на ней силами поверхностного натяжения.

видны и на кадрах рабочих снимков. В предварительных опытах обследовались ряд визуализаторов, методы их подачи, чувствительность пленок, величины выдержек и т. п.

Описываемые опыты проводились с плоским прямоугольным в плане с плоскими торцами крылом, имеющим хорду 6=0,12 м и удлинение ). = 4 (размах / = 0,4" м). Крыло во всех опытах имело одинаковое погружение Л = 0,2 м и различные углы атаки в диапазоне от а = + 8' до а = — 8°. Для данного крыла Су (* *= 0) а 0,23. Число Рейнольдса в опытах Ре = иЬ'ч а: 2,4-103, коэффициент кинематической вязкости воды при температуре ~18°С составляет v«10_6 м5’с.

2. Результаты исследований и их анализ. На рис. 3 и 4 показаны образцы

Рис. 3

л/<Гг. /4/

Рис. 4

полученных фотографий. Наряду с визуализированным следом и реперами на снимках виден контур свободной поверхности, а на рис. 4, а, который соответствует положению крыла, близкому к плоскости съемки (лс,'6 = 0), виден контур самого крыла. Рис. 3 соответствует углу атаки а = 8°, рис.4—а = 0. Под каждой фотографией написано выраженное в хордах расстояние х\Ь крыла от плоскости съемки. Используя реперные отметки и масштабную сетку, можно производить количественную обработку получаемых результатов. Так, на рис. 5 и 6 соответственно показаны полученные по расшифровкам фотографий зависимости

Рис. 6

— т Н -4- Н

от величины / = среднего положения ядер вихрей по высоте -------ЦТ----1

Ь Ь 21

(Н2, / = 1, 2) (отсчитывается от уровня невозмущенной свободной поверхности) и среднего расстояния 11 = 1111 между осями вихрей, отнесенных к размаху крыла.

На рис. 7 показана величина среднего диаметра видимого ядра, отнесенная к хорде крыла. На базе полученных зависимостей и схемы вихрей, показанной на рнс. 3, можно, в частности, установить, что на исследованном режиме движения с числом Фруда Рг = v|У^gb—2 отображенные относительно свободной поверхности вихри имеют знаки, противоположные основным вихрям, и, следовательно, свободная поверхность должна рассматриваться как твердая стенка. Именно при таких условиях в соответствии с рис. 6 расстояние между вихрями должно уменьшаться при Су>0 и возрастать при Су < 0.

6— «Ученые записки* Л? 6

81

Очень интересным является вопрос о том, что означает физически видимое на снимках ядро вихря. Изменение радиуса этого ядра по мере удаления от крыла характеризуется зависимостями, приведенными на рис. 7. Вопрос этот в литературе не обсуждался.

Заметим, что, как следует из полученных снимков, описываемый метод может быть использован для изучения деформации свободной поверхности и характеристик диссипации вихрей. Для решения последней задачи нужно выбрать на снимке отчетливые штрихи (см., например, на рис. 3 штрихи, полученные цифрами /, 2 и 3) и но их длине, времени выдержки и масштабу съемки определить местную скорость 0| и радиус /7. Сопоставление циркуляции

Г = 2кг/у/ со значением той же величины, определенной как —~—, показало, что значения Г, полученные по обеим формулам, практически одинаковы и равны 0,84 м*/с.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что разрабатываемая методика позволяет получать качественные и количественные характеристики следа течения на больших расстояниях за крылом или самолетом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Исследования NASA методов ослабления концевых вихрей. Техническая информация, ЦАГИ № 16, 1976.

2. Donald L. Voltex interactions in multiple Vortex wakes behind Aircraft. „А1АА Paper", N 62, 1976.

3. Боровой В. Я., Иванов Б. А., Орлов А. А., Харченко В. И. Исследование обтекания сверхзвуковым потоком крыльев различной формы в плане методом лазерного ножа. Труды ЦАГИ, вып. 1793, 1976.

Рукопись поступила I8j VI 1981 г.