CC BY
41
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Том VII
I 976
№ 2
УДК 533 6.071.08.778 533.6.071.082.53
ЛАЗЕРНО-ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ОБТЕКАНИЯ РОМБОВИДНОГО ПРОФИЛЯ С ОТКЛОНЕННЫМ НОСКОМ
3. А. Ананьева, В. П. Кулеш, Р. И. Левшу нов, А. А. Орлов
Разработана методика исследования нестационарных процессов в потоке газа с помощью лазерного интерферометра с узким пучком сравнения и скоростного фоторегистратора с частотой съемки до 125 ООО кадр./с. Приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований течения за двумерным препятствием при дозвуковых и трансзвуковых скоростях набегающего потока.
Экспериментальное измерительное оборудование, предназначенное для исследования быстропротекающих и нестационарных процессов, должно обладать достаточно высоким временным разрешением. Этим требованиям отвечают оптические методы исследования и, в первую очередь, методы, использующие в качестве источника света импульсные лазеры с длительностью импульса порядка 10 4 с.
В настоящей работе описана оптическая схема лазерного интерферометра с узким пучком сравнения, разработанная авторами статьи. Макет этого интерферометра испытан при изучении течения в аэродинамической трубе. Получены мгновенные интерферограммы обтекания ромбовидного профиля с отклоненной носовой частью. В результате расшифровки интерферограмм установлен характер распределения плотности газа вблизи модели. При помощи скоростного фоторегистратора СФР-2М, сопряженного с теневым прибором, определены параметры периодичности срывных режимов.
Исследования обтекания ромбовидного профиля с отклоненной носовой частью, представляющей собой двумерное препятствие с углом отклонения 8 = 40° (фиг. 1), проводились в аэродинамической трубе ТО-1 ЦАГИ с размерами
ВО
10
Фиг. 1
В)
Фиг. 3
поперечного сечения рабочей части 150x150 мм. Верхняя и нижняя стенки трубы были перфорированными (степень проницаемости панелей 5 = 0,23), боковые стенки, между которыми располагалась модель, были выполнены из оптического стекла.
Визуализация обтекания модели проводилась с помощью лазерного интерферометра с узким пучком сравнения и теневым методом с фоторегистрацией камерой СФР-2М для чисел М = 0,3ч-1,0 и углов атаки профиля а = 0ч-18°.
Оптическая измерительная схема лазерного интерферометра представлена на фиг. 2. Пучок света от лазера 1 разделительным устройством (зеркала 2 и 3) делится на два, один из которых (измерительный) расширяется объективом О, и светоделительным элементом 4 направляется через рабочую часть трубы 8 с моделью 9 на главное сферическое зеркало 5 интерферометра. Отразившись от сферического зеркала, измерительный пучок возвращается по своему пути и попадает на полупрозрачное зеркало 7 интерференционного узла. Другой, сравнительный, пучок оста- Р ется нерасширенным и также направляется светоделительным элементом 4 на зеркало 5. Возвратив- ^ ^ шись от сферического зеркала 5, пучок расширяется ' объективом 02 и попадает сначала на зеркало 6, а затем на зеркало 7 интерференционного узла.
Интерференционная картина наблюдается в пространстве за зеркалом 7. Рубиновый импульсный лазер работал в режиме модулированной добротности. Длительность импульса составляет 30ХЮ-9с, энергия в импульсе равна 0,1 Дж.
На фиг. 3 в качестве примера приведены интер-ферограммы мгновенного состояния течения для чисел М = 0,4 и 0,6 и угла атаки а = 12°. На полученных интерферограммах отчетливо видна сходящая с носка препятствия вихревая дорожка. В спут-ном следе модели развивается мощное вихреобра* зование. При обработке интерферограмм было принято допущение о двумерности течения, пренебре-галось расходимостью измерительного пучка, причем учитывалось значение плотности потока на стенке рабочей части, которое определялось по показаниям датчиков статического давления. В ка- Фиг. 4
честве примера результатов расшифровки интерферограмм на фиг. 4 дан график распределения плотности по вертикали при л; = 0,125 для различных чисел М (х=*х1Ь, у = у\Ь, где Ь—хорда модели).
Применение высокоскоростной теневой съемки позволило проследить за этапами развития нестационарных течений в спутной струе, определить частоты пульсаций вихрей и числа Струхаля. На фиг. 5 показана схема сопряжения СРФ-2М с теневым прибором ТЕ-14. Визуализация обтекания модели проводилась
ТруВа.
теневым методом „ножа и щели". В качестве источника света применялась импульсная лампа ИФК-120. Съемка велась со скоростью 125 000 кадр/с, что соответствует времени экспонирования одного кадра 8 X Ю~6 с.
На фиг. 6 приведена кинограмма СФР-2М аэродинамического .обтекания
ромбовидного тела с двумерным препятствием. Число Струхаля БЬ = ^,э-в ,
ОО
м- 4 7j ос- 6°
а)
где Ьэкв — проекция хорды модели на ось у, /—частота пульсаций, ^ — скорость набегающего потока, подсчитанная для М = 0,7-;-0,9 и углов атаки а = 2 и 6° по нижней вихревой дорожке, находится в пределах 0,2 н-0,3 при частотах пульсаций / порядка 5000-5-8000 периодов в секунду.
Проведенные исследования показали целесообразность применения предложенной методики для изучения нестационарных быстропротекающих процессов, так как она дает возможность получить не только параметры периодичности, но и картину мгновенного состояния газа с последующим определением (в результате расшифровки) плотности газа вокруг модели.
В процессе работы была выявлена простота конструкции и эксплуатации разработанного лазерного интерферометра по сравнению с классическими интерферометрами Цендера —Маха и Майкельсона.
'ЛИТЕРАТУРА
1. М я т к о в с к и й Н. О., Орлов А. А., Харченко В. Н. Визуализация течения при вдуве инородного газа методом лазерной интерферометрии. .Ученые записки ЦАГИ“, т. IV, № 1, 1973.
2. Орлов А. А., Боровикова Е. М., Духопел И. И., Кулеш В. П., Яковлев В. А. Большепольный интерферометр с узким сравнительным пучком. „Оптико-механическая промышленность”, 1974, № 2.
3. Дубовик А. С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. „Наука", 1964.
Рукопись поступила 11/Х 1974 г.
