CC BY
85
629.735:533.6
К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕНИЯ ПОТОКА ГАЗА НА ПЕРФОРИРОВАННОЙ ПЛАСТИНЕ
Е.Н. КОВРИЖНЫХ, А Н. МИРОШИН, А.А. БОНДАРЕНКО
Проведены эксперименты по измерению величины средней скорости, степени турбулентности потока газа в пограничном слое при обтекании плоской перфорированной пластины с демпфирующими полостями.
Ключевые слова: эксперимент, трение потока на перфорированной пластине, скорость, турбулентность.
В настоящее время одним из важных направлений исследований в практической аэродинамике является решение проблемы уменьшения трения при обтекании поверхности воздушных судов (ВС) воздушным потоком. Для авиации уменьшение трения имеет большое значение с точки зрения улучшения экономичности воздушных перевозок. Уменьшение трения потока, обтекающего поверхности крыла, хвостового оперения и фюзеляжа, может дать значительный прирост дальности полета.
Известно большое число методов уменьшения трения потока газа. Один из эффективных способов управления сопротивлением трения основан на применении перфорированных поверхностей с демпфирующими полостями. В частности, были проведены исследования на кафедре теплоэнергетики Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ), в результате которых была установлена возможность существенного (до 35 %) снижения сопротивления трения турбулентного потока газа в перфорированной трубе с демпфирующими полостями при определенном количестве перфорационных отверстий, приходящихся на каждую демпфирующую полость (2 - 3 отверстия) [1].
Для проведения дальнейших исследований в этом направлении необходимо более детально изучить параметры пограничного слоя потока газа над перфорированной поверхностью с демпфирующими полостями. В настоящее время в УВАУ ГА на базе научно-исследовательской лаборатории практической аэродинамики и летной эксплуатации воздушных судов открыта НИР, в ходе которой был изготовлен рабочий участок, включающий в себя набор перфорированных тонких пластин и пластину с демпфирующими полостями. Пластины выполнены с соблюдением геометрических размеров диаметров и взаимного положения центров перфорационных и демпфирующих отверстий, соответствующих экспериментальной установке в УлГТУ. Продувка рабочего участка осуществляется в аэродинамической трубе. Для измерения параметров пограничного слоя потока газа применяются: термоанемометр постоянной температуры с набором ниточных датчиков, вольтметры постоянного тока и среднеквадратичных значений напряжения - для измерения величины средней скорости и турбулентных пульсаций скорости, а также поверхностные трубки Престона для измерения величины поверхностного напряжения.
В вязком подслое измеренная термоанемометром скорость оказывается выше действительной, что обусловлено теплообменом между нагретой нитью и пластиной. Поэтому в дополнение к градуировке датчика термоанемометра в потоке воздуха вдали от стенки проводятся дополнительные измерения поправки к показаниям термоанемометра вблизи поверхности. Для этого датчик размещается на минимальном расстоянии от поверхности пластины (при отсутствии обтекающего потока) и снимаются показания напряжения на выходе термоанемометра. Далее датчик перемещается по вертикали с шагом 0,1 мм и для каждого положения определяется значение выходного напряжения до достижения величины, соответствующей нулевой скорости в градуировочной установке (Е0). Далее вычисляются поправки, равные разностям измеренных напряжений и Е0.
Проведены тестовые эксперименты на гладкой пластине по измерению поверхностных напряжений, коэффициентов трения и определению турбулентных пульсаций скорости в пограничном слое.
Полученные результаты согласуются с известными теоретическими расчетами и экспериментальными данными [2, 3].
Кроме того, определена степень турбулентности в пограничном слое над перфорированной поверхностью.
Результаты приведены на рис. 1, 2 и в табл. 1.
а б
Рис. 1. Профиль средней скорости в пограничном слое: а - на гладкой пластине;
б - на перфорированной пластине
Рис.2. Степень турбулентности в пограничном слое для гладкой (•) и перфорированной (^) пластин
Таблица 1
№п/п тэксп ^эксп Яе сйеор
1. 2,05695 0,0045 1,57Ч06 0,0043
2. 1,90619 0,0045 1,53Ч06 0,0043
3. 1,5646 0,0048 1,33Ч06 0,0044
4. 0,49082 0,0059 6,73Ч05 0,0050
5. 0,27874 0,0047 5,69Ч05 0,0052
Эксперименты показали уменьшение степени турбулентности в пограничном слое у перфорированной поверхности с демпфирующими полостями по сравнению с гладкой пластиной, что свидетельствует о ламинаризации пограничного слоя вблизи поверхности и, как следствие, снижении коэффициента трения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ковальногов Н.Н., Хахалева Л.В. Течение и сопротивление трения турбулентного потока в перфорированной трубе с демпфирующими полостями // Известия вузов. Авиационная техника. - 2002. - №3. - С. 19 - 22.
2. Бондаренко А.А., Коврижных Е.Н., Мпрошпн А.Н., Сухов А.С. Использование термоанемометрического комплекса для исследования структуры течения газа в канале с перфорированной поверхностью // Научный вестник УВАУ ГА. - 2008. -№ 1. - С. 17 - 25.
3. Разработка экспериментального комплекса по исследованию сложных турбулентных течений газа применительно к обтеканию элементов конструкции ВС: Отчет о НИР / Коврижных Е.Н., Мирошин А.Н. - Ульяновск, УВАУ ГА, 2004.
EXPERIMENTAL RESEARCH OF GAS STREAMFLOW SKIN-FRICTION WHILE FLOWING
OVER PERFORATED FLAT-PLATE
Kovrizhnyh E.N., Miroshin A.N., Bondarenko А.А.
Test experiments has been conducted to measure gas streamflow speed, intensity of turbulence in a boundary layer while flowing on the perforated flat surface.
Key words: experiment, air flow friction, perforated plate, speed, turbulence.
Сведения об авторах
Коврижных Евгений Николаевич, 1958 г.р., окончил КАИ (1984), кандидат технических наук, профессор кафедры летной эксплуатации и безопасности полетов УВАУ ГА, автор более 130 научных работ, область научных интересов - исследование турбулентных течений газа, теоретическая подготовка летного состава.
Мирошин Александр Николаевич, 1961 г.р., окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1984), заведующий научно-исследовательской лабораторией практической аэродинамики и летной эксплуатации ВС кафедры летной эксплуатации и безопасности полетов УВАУ ГА, автор 20 научных работ, область научных интересов - исследование турбулентных течений газа.
Бондаренко Александр Аркадьевич, 1969 г.р., окончил Иркутское ВВАИУ (1991), старший преподаватель военной кафедры и аспирант УВАУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - экспериментальные исследования турбулентных течений газа.
