Метод визуализации дозвуковых газовых потоков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XVI 1 98 5 №4

УДК 533.6.011.3

533.6.071.082.5

МЕТОД ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДОЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

А. В. Довгаль, В. В. Козлов, М. П. Рамазанов

Описана методика визуализации дозвуковых течений газа с помощью «дымящей проволочки». На некоторых примерах демонстрируются возможности метода в исследованиях пространственных течений и нестационарных гидродинамических явлений. Обсуждаются достоинства и область применения в задачах дозвуковой аэродинамики.

На протяжении всей истории аэрогидродинамики вопросам визуализации потоков уделялось большое внимание. Заметим к примеру, что обнаружение двух форм течения жидкости и газа (ламинарной и турбулентной) обязано применению визуализации [1]. Такое отношение к визуализации связано с тем, что в отличие от других экспериментальных методов, например, термо- и лазерной анемометрии, с помощью которых параметры потока определяются лишь в отдельных точках, визуализация позволяет получить общую, хотя во многих случаях только качественную, информацию о поле течения.

Разнообразные методы визуализации используются для получения интегральных по времени картин поверхностных явлений (саже-масляные покрытия, краски, термоиндикаторы, жидкие кристаллы и др.). При визуализации явлений, происходящих в самом потоке газа, широкое распространение получило использование дыма, который применяется для этих целей еще с конца XIX столетия [2]. Довольно большое количество дыма, необходимое для получения достаточной концентрации дымовых частиц в рабочей части установки, обычно вводится в поток перед входом в ресивер или рабочую часть аэродинамической трубы, что позволяет изучать некоторые задачи пространственного обтекания.

В другом ряду стоят методы, основанные на введении частиц в строго фиксированных точках потока. В исследованиях течений жидкости это теллур-метод [3] и метод водородных пузырьков [4], в газе — метод тепловой метки [5]. Существенное их достоинство заключается в высокой разрешающей способности по пространству и возможности визуализации заданных сечений в потоке. К ним относится и метод «дымящей проволочки» (smoke-wire), получающий в настоящее время широкое распространение в дозвуковой аэродинамике.

2— «Ученые записки» № 4

17

Идея метода заключается в следующем. В потоке располагается достаточно тонкая металлическая нить диаметром — 0,1 мм; она смазывается маслом, которое собирается в мелкие капли, расположенные вдоль нити. При подаче на проволочку электрического напряжения она нагревается и происходит испарение масла. Его пары (дым) образуют струйки, берущие начало в месте расположения масляных капель, которыми и визуализируется течение. При этом, как отмечается в [6], не повышается уровень турбулентности, и возмущенность среднего течения минимальна по сравнению с другими методами внесения дыма для визуализации в поток.

Идея визуализации течений таким способом реализуется, начиная с 50-х годов (см. литературу в [6]). Система визуализации, используемая в настоящее время, предложена в [7], где она применялась для исследования турбулентных потоков. В [6] метод был использован для визуализации нестационарных процессов, происходящих в зоне отрыва ламинарного потока от поверхности модели крыла. Дальнейшее развитие метод «дымящей проволочки» получил в работах авторов этой статьи [8—-11].

В данной работе ставилась цель продемонстрировать реализацию метода в исследованиях дозвуковых течений газа, его возможности и диапазон применимости.

Визуализация обтекания скользящего крыла. Эксперименты по применению дымящей проволочки для визуализации течения на скользящем крыле [8, 11] проводились в малотурбулентной аэродинамической трубе Т-324 ИТПМ СО АН СССР [12] при степени турбулентности потока <0,04%. В рабочей части установки вертикально располагалась модель крыла с хордой 700 мм, относительной толщиной 16%, под углом скольжения 30°.

Дымящая проволочка представляла собой вольфрамовую нить. Требования к материалу проволочки определяются из соображений ее прочности и долговечности; металл должен обладать по возможности меньшим коэффициентом теплового расширения, чтобы его деформация при омическом нагреве была минимальной. В других работах [6, 13] применялась также проволочка из нержавеющей стали.

В экспериментах использовались проволочки диаметром 68 и 100 мкм. Для визуализации, как правило, выбирается диаметр нити такого порядка, близкий к оптимальному. Диаметр проволочки налагает ограничение на максимальную скорость потока, при которой проводится исследование, из-за образования вихревой дорожки за ней при Red ^ 40. Авторы [6] считают верхним пределом скорости Re<i = 20, при которой еще не происходит разрушения струек дыма в рабочей части установки. Скорость потока, таким образом, при расположении проволочки в рабочей части трубы ограничена ~5 м/с. При меньшем диаметре проволочки скорость можно повысить, но с такой проволочкой трудно работать, так как она быстро выходит из строя. Далее будет показана возможность расширения рабочего диапазона скоростей. При визуализации течения на скользящем крыле скорость набегающего потока равнялась 5,7 м/с.

Схема визуализации приведена на рис. 1. Эксперименты проводились при двух способах натяжения нити: на специально сконструированной державке (рис. 1 ,а) и на модели крыла (рис. 1,6). В первом случае проволочка натягивалась параллельно кромке крыла в подпружиненной раме, закрепленной в координатном механизме, позволяющем перемещать ее поперек потока с точностью 0,1 мм. Таким образом мог изменяться «прицельный параметр» г/н струек дыма отно-

3

ЪZZZZZZZZB*■-

4Траектория частиц дыма

/—стенка рабочей части Т-324, 2—модель, 3—дымящая проволочка, I—смачивающая трубка, 5—масляный резервуар, управляющий тросик, 7—державка, 8—груз натяжения

Рис. 1. Схема визуализации обтекания скользящего крыла

сительно передней кромки. Во втором случае проволочка натягивалась параллельно образующей в пограничноем слое. Натяжение нити задавалось грузом массой 360 г. Существуют и другие способы натяжения проволочки, в частности, пружиной [13]. Все они направлены на то, чтобы уменьшить тепловую деформацию, т. е. провисание проволочки при подаче на нее электрического напряжения, и обеспечить введение дымовых струек в заданном сечений потока.

Перед подачей напряжения проволочка, смазывалась минеральным маслом. Существуют различные способы смазки проволочки, например, вручную [6] или масляной каплей, которая сбегает по ней под действием силы тяжести при вертикальном расположении проволочки [13]. В данном случае была разработана другая система смазки. Смазывание проводилось при помощи специального приспособления, представлявшего собой металлическую трубку, заполненную хлопчатобумажной тканью, скользящую по нити. Ткань пропитывалась маслом, подаваемым из резервуара в верхнем положении трубки, после чего трубка приводилась в движение вдоль проволочки с помощью управляющего тросика, смазывая саму проволочку. Такое приспособление выгодно отличается от смазывания каплей, так как в последнем случае капля срывается с проволочки при местной скорости ^ 4 м/с.

После смазывания проволочки минеральное масло собиралось на ней вследствие поверхностного натяжения во множество мелких капель. В случае вертикального расположения проволочки масляные капли при нагреве могут скатываться вниз из-за уменьшения вязкости, собираясь в одну большую каплю, которая быстро падает вниз по проволочке. Для устранения этого явления нужно правильно подбирать масло по его вязкости и напряжение, подаваемое на проволочку. В данном случае применялось вакуумное машинное масло ВМ-20.

Постоянное напряжение ~30 В подавалось на проволочку от универсального источника питания. Дымовая картина, возникающая при испарении масляных капель, освещалась фотовспышкой и фотографировалась из окна рабочей части. Моменты включения напряжения и освещения модели были разнесены во времени с помощью линии задержки таким образом, чтобы к моменту вспышки дым успел распространиться на всю область фотографирования.

На рис. 2 приводятся примеры визуализации скользящего крыла. Фотографии 2, а иллюстрируют течение в окрестности передней кромки

\ "' ЙшрШт х.рвнт подели

Штйтя шШвш

л)

Р

-* ■

ч

г

Рис. 2

модели при двух значениях «прицельного параметра» дымящей проволочки. При стационарном, как в данном случае, обтекании траектории частиц дыма совпадают с линиями тока. В районе передней кромки происходит их искривление, возрастающее по мере приближения к поверхности крыла. Перемещая с малым шагом по у дымящую проволочку, можно судить о величинах х- и 2-проекций вектора средней скорости в исследуемой области течения. Для получения пространственной картины обтекания следует вести фотографирование по двум ортогональным направлениям (см. [9]).

На фотографии 2,6 приводится пример визуализации течения в средней части крыла, которая проводилась по схеме рис. 1,6. Траектории дыма в левой части кадра — линии тока в ламинарном пограничном слое. В области положительного градиента давления видны вихревые образования, вытянутые параллельно передней кромке, представляющие собой визуализацию возмущений, вносимых в поток самой дымящей проволочкой. Эти возмущения возникают в результате механических колебаний проволочки, сопровождающих ее внезапную деформа-

дию при подаче электрического напряжения. В общем случае, как уже упоминалось, они малы, но. иногда в, сильно неустойчивых течениях могут нарастать. В данном примере частота собственных колебаний проволочки и соответствующих вихревых возмущений ( — 80 Гц) попала в частотный диапазон неустойчивости отрывного течения в средней части крыла, в результате чего произошло их значительное усиление.

Визуализация проафанственных течений. Возможности метода использовались в [9] для визуализации обтекания пространственной модели летательного аппарата, выполненной по рисункам из работы [14].

Модель устанавливалась в аэродинамической трубе Т-324 (рис. 3). Для визуализации применялась вольфрамовая проволочка диаметром 68 мкм, натянутая на подпружиненной раме, которая помещалась впереди модели, в набегающем потоке. Проволочка смазывалась маслом (трансмиссионным ГОСТ 4003—53) с помощью приспособления, описанного в предыдущем разделе, и разогревалась постоянным электрическим током от стабилизированного источника питания ВС-26. Картина обтекания фотографировалась из окна рабочей части при освещении модели двумя стандартными лампами-вспышками, мощностью 36 Дж каждая.

Примеры визуализации приведены на рис. 4. На фотографии 4, а хорошо просматриваются отрыв потока на верхней части фюзеляжа модели и дальнейшая турбулизация потока, в то же время на нижней части фюзеляжа течение остается ламинарным. Фотография 4,6 дает представление о растекании на наветренной стороне модели.

Для получения нескольких проекций необходимо фотографирование линий тока с нескольких позиций. С этой целью в [9] была предложена схема, при которой съемка производилась синхронно двумя фотоаппаратами, расположенными в одном окне. При этом одно изображение отражалось в зеркале, расположенном на полу рабочей части аэродинамической трубы. Таким образом, получались одновременно две ортогональные проекции линий тока, позволяющие установить направление вектора скорости.

Эти результаты были получены в установке с малой степенью турбулентности. В большинстве же существующих аэродинамических труб ее величина значительно больше и составляет десятые доли процента от скорости набегающего потока. Поэтому в [9] была исследована возможность применения метода при повышенной степени турбулентности набегающего потока. Максимальную скорость потока, при которой начинается отрывное обтекание проволочки и нарушается структура ка-

/—рамка с дымящей проволочкой, 2—фотоаппарат, 3—модель, 4—лампа-вспышка

Рис. 3. Схема эксперимента

а—картина обтекания носовой части, б—обтекание донной части модели под большим углом атаки (20,5°)

Рис. 4. Визуализация обтекания пространственного тела, и,» =5,4 м/с

***К\\ч\\\\\\

О

Фотоаппарат

сзб

777777Г1

^ ¥

Лампа-бспышка

/—рабочая часть Т-324, 2—канал, 3—вибрирующая лента, 4—дымящая

проволочка

Рис. 5

иелек масла, можно поднять, применяя более вязкое масло. Таким способом в [9] была достигнута скорость набегающего потока, равная 11,5 м/с. Радикальным средством повышения скорости является расположение дымящей проволочки в форкамере аэродинамической трубы, где скорость потока существенно меньше, чем в рабочей части. Проведенные исследования показали, что пелена устойчива, т. е. не происходит ее сворачивание в жгуты, если проволочка устанавливается в конце форкамеры, непосредственно перед входом в рабочую часть. Таким образом при поджатии, равном 17, максимальная скорость потока в рабочей части была увеличена до 32 м/с, и показана принципиальная возможность применения метода до скорости 50 м/с [9].

Дальнейшее развитие для исследования стационарных течений метод получил в [11], где была предложена схема, позволяющая организовать «метки времени» на дымовых струйках. Метки вводятся в результате нагревания проволочки не постоянным, а переменным током — прямоугольными импульсами с заданной частотой следования. При этом с такой же периодичностью меняются температура проволочки и соответственно плотность частиц дыма. Определив по фотографиям расстояние между метками — участками одинаковой концентрации частиц в дымовой струйке, можно получить количественную информацию о поле средней скорости.

Визуализация нестационарных явлений. Высокая разрешающая способность метода позволяет исследовать, в частности, мелкомасштабные нестационарные явления, происходящие в сдвиговых течениях. В работе [13] дымящая проволочка применялась для изучения трехмерной деформации первоначально двумерных волн Толлмина—Шлихтинга в процессе ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое плоской пластины. Принципиально важным достоинством метода в этом случае оказалась возможность располагать нить на заданной высоте в пограничном слое, толщина которого измерялась миллиметрами. Визуализировались возмущения конечных амплитуд, искусственно возбужденные вибрирующей лентой. Интенсивность возмущений, возбуждаемых дымящей проволочкой, была при этом значительно меньше, и они практически не оказывали влияния на изучаемое явление.

В работе [10] метод был применен для исследования установления трехмерности возмущений при переходе к турбулентности в плоском течении Пуазейля. Схема эксперимента приведена на рис. 5. В рабочей части Т-324 располагался канал из оргстекла с размерами 4500Х15Х Х400 мм. Монохроматические вихревые колебания возбуждались в течении вибрирующей лентой, расположенной вблизи одной из стенок. Ниже по потоку от ленты помещалась дымящая проволочка — вольфрамовая нить диаметром 68 мкм — параллельно длине стенки канала. Она натягивалась в районе максимума возмущений скорости по оси у на расстоянии 2,2 мм от стенки. Постоянное напряжение, равное 20— 25 В, подавалось на проволочку от источника питания ВС-26. Дымовая картина освещалась двумя лампами-вспышками, расположенными в конце канала и направленными по потоку, и фотографировалась из окна рабочей части аэродинамической трубы сквозь одну из стенок канала. Таким образом, получалась картина течения в л;—2 плоскости. Вторая стенка канала предварительно зачернялась. Смазывание нити маслом производилось при помощи приспособления, описанного выше. Натяжение нити регулировалось пружиной, расположенной вне канала.

В результате в работе были получены данные о трехмерном разрушении плоских волн конечной амплитуды, приводящем к образованию Л-образных структур, и о закономерностях их формирования. Пример

а - и /а =1,0«, 6-1,26%, в — 1,36% max' с

Рис. 6. Развитие трехмерности при увеличении амплитуды возмущения, Re=3850, / = 73 Гц

визуализации приведен на рис. 6, где ис — скорость в центре канала, а = HçjL^ fr — полуширина канала. Направление потока-—слева направо, х—х0 — расстояние от вибрирующей ленты. На фотографиях иллюстрируется процесс возникновения Л-образных вихрей в зависимости от амплитуды возмущения.

Необходимо отметить, что при визуализации волновых явлений видимые струйки дыма не соответствуют, как в стационарном случае, линиям тока, а отражают сложное движение частиц среды — скопление и разрежение при локальном изменении скорости в волне. Периодическое в пространстве изменение концентрации дыма отражается в чередовании темных и светлых полос на фотографиях (то же на рис. 2, б).

Что касается схемы визуализации нестационарных явлений, то в таких исследованиях может оказать пользу применение киносъемки, как, например, в работе [6], где высокоскоростная съемка применялась для визуализации перехода к турбулентности в отрывном течении. Кроме того, при изучении волновых явлений наряду с фотографированием в непрерывном свете возможно применение стробоскопического освещения, синхронизированного с основной частотой, что позволяет отделить среднее течение от периодического.

ЛИТЕРАТУРА

1. Reynolds О. Phil. Trans., N 174, p. 935, 1883.

2. M а с h L. Uber die Sichtbarmachung von Luftstromlinien. Zeitschritt für Luftschiffahrt und Physik des Atmosphäre, 1896, vol. 15, Heft 6.

3. W о r t m a n n F. K. Eine Methode zur Beobachtung und Messung Wasserströmungen mit Tellur. — ZAP, 1953, Bd. 5, N 6.

4. В i p p e s H. Experimentelle Untersuchung des laminar-turbulenten Umsehlags an einer parallel angeströmten Konkaven Wand. Berlin — Heidelberg—New York, Springer-Verlag, 1972.

5. Божков В. M. Визуальное изучение переходных и отрывных течений.— Ученые записки ЦАГИ, 1973, т. IV, № 1.

6. Б э т и л л С. М., Мюллер Т. Д ж. Визуализация области перехода при обтекании профиля крыла с помощью дыма от нагретой проволоки—РТК, 1981, т. 19, № 4.

7. С о о г k е Т., К о d a D., D г u b к a R. and N a g i b Н. A new technique for introbucing controlled sheets of smoke streaklines in wind tunnels, proceedings of international congress of instrumentation in aerospace simulation facilities. — IEEE Publication 77, SH 1251—8 AES, 1974.

8. Довгаль А. В., Козлов В. В., Носы рев И. П., С а-р и к В. С. О методе визуализации структуры течения в пограничном слое. Новосибирск, препринт ИТПМ СО АН СССР, 1981, № 37.

9. К о з л о в В. В., Р а м а з а н о в М. П. Визуализация пространственных течений методов «дымящей» проволочки. •— Новосибирск, препринт ИТПМ СО АН СССР, 1982, № 26.

10. Козлов В. В., Рамазан ов М. П. Развитие возмущений конечной амплитуды в течение Пуазейля, препринт ИТПМ СО АН СССР,— 1982, № 4.

11. Г и л е в В. М., Довгаль А. В., К о з л о в В. В. Метод визуализации газовых потоков. — В кн.: III Всесоюзная школа по методам аэрофизических исследований, Новосибирск, ИТПМ СО АН СССР, 1982.

12. Бага ев Г. И., Голов В. К., Медведев Г. В., Поляков Н. Ф. Аэродинамическая труба малых скоростей Т-234 с пониженной степенью турбулентности. — В кн.: Аэрофизические исследования, Новосибирск, НТПМ СО АН СССР, 1972.

13. Weber D. L.,. S а г i с W. S., Reynolds G. А., Т i с е G. L. and Woodbribge R. D. Visualization of Tollmien — Schlichting Waves. — Bulletin American Physical Society, Nov. 1980, vol. 25, p. 1081.

14. Cooper P. A., Hollo w а у P. F. The shuttle tile story. — Astronautics and Aeronautics, 1981.

Рукопись поступила 22/XII 1983 г.