CC BY
62
____УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И___________
Т О м IV 1 9 7 3 № 4
УДК 532.525.2
О ЯВЛЕНИИ ПОПЕРЕЧНОГО ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ В ДОЗВУКОВЫХ СТРУЯХ, ИСТЕКАЮЩИХ В СНОСЯЩИЙ поток
А. Н. Висков, Ю. А. Горелов
Приводятся результаты экспериментальных исследований по визуализации турбулентной дозвуковой струи круглого поперечного сечения, истекающей по нормали к плоской пластине в сносящий поток. При помощи скоростной киносъемки обнаружено существование на переднем фронте струи поперечных, бегущих по струе вихрей. Определены частота их образования и скорость движения на начальном участке струи. Проведено сопоставление результатов опытов в аэро- и гидродинамической трубах.
При исследованиях в гидродинамической трубе истечения круглой струи в сносящий поток были обнаружены дискретные поперечные вихри, охватывающие струю и движущиеся вдоль траектории ее распространения [1]. Показано, что эти вихри образуются в процессе разрушения вихревой поверхности начального участка струи в сносящем потоке и играют важную роль в явлениях турбулизации струи и подсоединении к ней массы из набегающего потока.
Для выяснения, имеет ли место аналогичное явление при истечении воздушных турбулентных дозвуковых струй в сносящий поток, были поставлены специальные опыты. Ниже описываются основные результаты исследований по визуализации картины распространения круглой дозвуковой струи, вытекающей из плоской пластины, которая установлена в потоке аэродинамической трубы Т-103 ЦАГИ. Диаметр сопла выходящей струи был й0 = 0,045 м, скорость потока и струи варьировались в диапазонах 1/оо=16^-50 м/с и 1//- = 64ч-320 м/с с таким расчетом, чтобы отношения скорости .струи к скорости набегающего потока были 1^/1/«; =«4 6, 8 и 10 при нескольких различных комбинациях их абсолютных значений. Диапазон значений числа Рейнольдса, подсчитанного по начальному диаметру струи и скорости набегающего потока для данных опытов, находился в пределах от 50 000 до 150000.
Визуализация воздушной струи осуществлялась подводом специальной жидкости через дренажные трубочки, выходящие на поверхность пластины вблизи сопла. В результате эжектирующего воздействия струи пассивно подводимая жидкость распыляется струей, и струя становится видимой. При сильном освещении кон-тровым светом удалось осуществить скоростную киносъемку вытекающей струи. Необходимо отметить, что при скоростях съемки до /=500 кадр/с граница переднего фронта фиксируется на кадрах как сплошная (фиг. 1, а); при дальнейшем увеличении частоты кадров до 1000—1500 кадр/с наблюдается периодическое образование поперечных пучностей, перемещающихся вдоль струи (фиг. 1,6), и лишь при скоростях съемки более 2500 — 3000 кадр/с (фиг. 1,в) удается зафиксировать действительную картину процесса образования и перемещения дискретных поперечных вихрей в струе, аналогичных вихрям, наблюдавшимся в водяных струях [1].
На фиг. 2 приведено сопоставление картины образования вихрей на переднем фронте струи при относительной скорости истечения V¡11/.„ = 8 по опытам в аэро-и гидродинамических трубах. Хотя в воздушной турбулентной струе не удалось получить такой четкой картины, выявляющей структуру вихрей, как в жидкости,
^25 м/с ■} 4^200м/с
Зона.. Зтенания'
Фиг. 1
Фиг. 2
наличие дискретных вихрей и их полная адекватность очевидны. На фиг. 2 видно, что образующиеся на переднем фронте струи вихри—парные, т. е. в одном видимом вихревом клубке содержатся два вихря с противоположным направлением вращения, причем, как это отчетливо видно на вихрях водяной струи, преобладает интенсивность вращения переднего вихря, обращенного к набегающему потоку.
Анализ последовательных кинокадров воздушной струи показывает, что направление вращения переднего вихря в этом случае такое же, как и у аналогичного вихря водяной струи. Более того, на ряде кинокадров был зафиксирован процесс образования и последующего распада вихревого клубка на два вихря с противоположным направлением вращения. Такое расслоение клубка на два вихря удается обычно наблюдать в моменты, близкие к его окончательному разрушению. В этой стадии парный вихрь приобретает характерную Т-образную форму (фиг. 3). Таким образом, полученные результаты позволяют считать полностью доказанным факт образования парных вихрей на переднем фронте дозвуковых струй, истекающих в сносящий поток.
Наличие на переднем фронте струй таких парных вихревых образований вносит новый, принципиально важный элемент в понимание процесса подсоединения массы к струям в сносящем потоке. Дело в том, что присутствие на поверхности струи последовательного ряда дискретных парных вихревых образований с вихрями, имеющими противоположное направление вращения, делает вихревую поверхность струи как бы проницаемой. В самом деле, между каждой парой таких вихревых клубков образуются зоны „втекания“, в которых двумя соседними вихрями противоположного направления вращения индуцируются скорости, направленные в тело струи. Масса из набегающего на струю потока, попадая в эти зоны, захватывается и перемещается затем в струе. На фиг. 2, б между третьим и четвертым наружными вихрями отчетливо просматривается такая зона в момент „замыкания“, а между четвертым и пятым парным вихрем — в момент, предшествующий полному смыканию и распаду соседних пар вихрей.
Очевидно, что соленоидальная система вихрей, образующихся на вихревой поверхности струи, истекающих в затопленное пространство, таким свойством „проницаемости“ не обладает, поэтому обнаружение дискретных парных вихревых образований на переднем фронте струи в сносящем потоке имеет принципиальное значение.
Расшифровка последовательных кадров скоростной киносъемки проводилась проектированием изображения на специальный экран и путем тщательных многократных измерений на нем линейных
Фиг. 3
величин сдвига и элементов формирования вихрей. Использование отметчика времени, фиксирующего частоту кадров на киноленте, позволило после соответствующей обработки получить некоторые количественные данные, характеризующие процесс вихреобразова-ния на струях, истекающих в сносящий поток. Аналогичной обработке были подвергнуты полученные ранее кинокадры опытов в гидродинамической трубе. На фиг. 4 приведено число Струхаля
511 = Уоо Т/й0, характеризующее частоту образования дискретных парных поперечных вихрей на переднем фронте круглой струи в функции числа Ке (в логарифмическом масштабе).
Левая группа точек на фиг. 4 соответствует опытам в гидродинамической трубе, правая—в аэродинамической. Каждая из экспериментальных точек нижней кривой, приведенной на графике, является результатом осреднения значений чисел 811, полученных в результате расшифровки от 5 до 100 различных кинокадров, взятых из разных мест отснятой киноленты. Результаты на фиг. 4 показывают, что частота образования парных поперечных вихрей, бегущих по струе (811=0,5-5-1,4), в 5—10 раз превышает частоту образования вихрей дорожки Кармана в срывной зоне за цилиндром, которая по известным опытам Бенара, Кармана, Рубаха, Визельсбергера и др., например [2], характеризуется числами Струхаля 811 = 5,5-^6 в рассматриваемом диапазоне чисел Ие. Так как граничные условия при обтекании цилиндрического начального участка струи и жесткого цилиндра неодинаковы, в работе [3] были проведены специальные измерения частоты схода вихрей в спутной зоне за начальным участком круглой турбулентной струи, истекающей из плоской поверхности в сносящий поток. Результаты измерений (см. фиг. 4) показывают, что числа 811 в этом случае (811 = 10 — 11) почти вдвое превышают числа БЬ вихревого следа за твердым цилиндром. Это свидетельствует о том, что частота образования поперечных вихрей на струе значительно больше частоты образования срывных вихрей в ее спутной зоне.
В настоящей статье не ставилась специальная задача определения частоты схода вихрей в срывной зоне за струей. Однако расшифровка ряда кинокадров позволила сопоставить скорости перемещения этих двух типов вихрей: поперечных вихрей, движущихся по струе, и почти вертикальных вихрей в зоне за струей, которые одним концом как бы опираются на поверхность струи, а другим—на поверхность пластины. На фиг. 5 показаны результаты измерений величины перемещений этих вихрей по времени ДЛЯ ОДНОГО ИЗ режимов истечения 1/у/1/оо = 8; Кос = 16 м/с. Видно, что за время движения одного вертикального заструйного вихря на струе успевает образоваться и переместиться по ее длине около шести поперечных вихрей, скорость перемещения которых, как это
4-
у и,1 * 0,125 • 0,167 ° 0,25
\
\
и,*.
\ N
■В"
1 &
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 1дКе
поперечные ¿ихри на переднем фронте струи
вихри Кармана за нругль/м
цилиндром *---ВахреНая Пор ажка § за ст-
руйной зоне (У)
Фиг. 4
\-L2-*
1-смещение дихря / заст-_ руиной зоне за at (в секунда/г) Ь-смещение поперечного дихря за dt(tсекундах)
¿¡-диаметр сопла
20 2000 üt, с
0,5
следует из фиг. 5, более чем вдвое превышает скорость перемещения вихрей в следе за струей.
На фиг. 6 приведены результаты определения величины относительной скорости перемещения дискретных поперечных вихрей вдоль переднего фронта струи У^У¡ — {УЖ\У^ по опытам в аэро-и гидродинамической трубах.
Полученные результаты показывают, что, когда скорость истечения струй намного превышает скорость сносящего потока (1/00/1/, = 0,1), относительная скорость движения поперечных вихрей по струе оказывается заметно меньше 0,5 —величины, которой можно условно охарактеризовать скорость движения вихревой пелены на начальном участке вытекающей струи, и приближается к этой величине лишь для относительно слабых струй {Уоо/ V/ = 0,25).
\ 1 I
j •' * опыты S аэродинамической mpyfe ■ i •> гидродинамической "
.
м/с ~ -i—' I
Им/с -j. %T .—■ 0?
40м/с 8r
\
0J
Фиг. 6
0,2
ЛИТЕРАТУРА
1. Горелов Ю. А., Висков А. Н., Филиппова Н. М. Расчет поля скоростей и давлений индуцируемых струей в сносящем потоке. Труды ЦАГИ, вып. 1412, 1972.
2. Prandtl L., Tietjens О. Hydro- und Aeromechanik. Bd. II, Berlin, 1931.
3. Mem a non H. М., Hester D. D, Palfery T. G. Vortex shedding from a turbulent jet in a cross-wind. J. Fluid Mech., v. 48, pt. 1, 1971.
Рукопись поступила IO/XI 1972 г.
