CC BY
62
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И То м XI 7~9 8~0
№ 5
УДК 532.526.048.3
ОБ ОПТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЙ В ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ
В. А. Головкин, Э. Г. Гончаров, В. М. Калявкин, В. Г. Колков, А. П. Копылов, Э. И. Красовский
Показаны достаточно широкие возможности метода оптической визуализации течений в гидродинамической трубе. Приведены спектры обтекания круглого цилиндра и полуцилиндра. Получены: общая картина течения, возникающая вследствие изменения оптических свойств среды, вызванного обтекаемым телом; локальные спектры течения, искусственно выделяемые путем местного подогрева поверхности модели, и картины течения с визуализацией внешнего потока тепловой гребенкой.
Среди существующих методов визуализации течений [1—15| особый интерес представляют так называемые бесконтактные оптические методы [2, 3, 13]. Однако в аэрогидродинамике малых скоростей, т. е. при небольших значениях числа М, применение этих методов затруднено вследствие недостаточной величины градиентов плотности. Обычно в подобных случаях визуализация течения осуществляется посредством искусственного изменения плотности среды с помощью местного подогрева, выдува инородного газа и т. п. [2, 8].
Целесообразно распространить и на этот класс течений бесконтактные оптические методы, привлекающие к себе внимание главным образом тем, что они не вносят искажений в естественную структуру потока. Поэтому, в частности, при испытаниях в гидродинамической трубе наряду с хорошо известными методами подкрашенных струек [4, 7, 12, 15] весьма желательно использовать бесконтактные оптические методы. С другой стороны, они позволяют применять в экспериментальных исследованиях относительно несложные в изготовлении, предварительно не препарированные модели, что существенно сокращает цикл подготовки и проведения испытаний. В дальнейшем, используя полученную таким образом информацию, можно определить характерные детали течения
(вихри и т. п.) и наметить пути более целенаправленного их исследования с помощью обычно применяемых дополнительных искусственных средств, позволяющих усилить и выделить некоторые наблюдаемые эффекты. Кроме того, возможность бесконтактной визуализации позволяет экспериментально обосновать правомочность применения искусственных приемов визуализации.
В данной работе изучаются возможности оптического метода визуализации течений в гидродинамической трубе на примере круглого цилиндра и полуцилиндра.
1. Исследование проводилось с помощью визуализирующего оптического устройства (ВОУ), схема которого изображена на рис. 1. Визуализирующее устройство состоит из: приемно-осветительного блока, в который входят источник света /, конденсор 2, 4, световая диафрагма 3 и образованная кромками зеркальных ножей 10, 11 визуализирующая диафрагма 5; двухлинзового объектива 6; двух иллюминаторов 7, 8, вмонтированных в стенки рабочей части гидродинамической трубы и выполненных в виде плоско-параллельных пластин из оптического стекла с просветляющим покрытием; автоколлимационного зеркала 9 с наружным отражающим покрытием; регистрирующего устройства 12.
В основу действия схемы положен принцип шлирен-системы, состоящий, как известно [3), в том, что часть световых лучей, отклоненных вследствие появления в рабочем объеме оптических неоднородностей, отражается от поверхности зеркальных ножей и попадает на экран регистрирующего устройства.
При исследовании плоских течений модель устанавливалась в рабочей части гидродинамической трубы (400X400 ммг) с помощью пристеночных державок таким образом, что торцевые поверхности модели соприкасались с поверхностью иллюминаторов.
С целью выделения местного течения из общей картины обтекания тела в центральном сечении модели, как и в работе (8), был предусмотрен модельный нагревательный элемент, обеспечивающий изменение коэффициента преломления среды в узкой окрестности исследуемого сечения. Для расширения возможностей визуализации использовалась также тепловая гребенка [2], осуществляющая подогрев нескольких струек, набегающих на обтекаемое тело, с помощью герметически запаянных в трубочки и нагреваемых электрическим током проволочек. Положение тепловой гребенки относительно модели можно было изменять в любом из трех ортогональных направлений: вдоль оси трубы (по направлению потока), но размаху модели и но направлению, перпендикулярному к первым двум.
Для регистрации процессов обтекания визуализирующее устройство использовалось в комплекте с видеомагнитофоном, кинокамерой или фотоаппаратом.
2. Сочетание возможностей ВОУ с методическими особенностями, присущими эксперименту в гидродинамической трубе, позволяет применять следующие способы визуализации:
а) естественная визуализация течения, реализуемая без всякого дополнительного вмешательства исследователя в процесс обтекания. Визуализация течения осуществляется вследствие изменения оптических свойств среды, вызванного присутствием обтекаемого тела. Ввиду малых изменений коэффициента преломления воды в этом случае ВОУ должно быть настроено на наибольшую чувствительность. При этом получается интегральная картина течения, поскольку результат определяется суммарным воздействием оптических неоднородностей по пути оптического луча в исследуемой области среды;
б) искусственная визуализация локального течения, осуществляемая посредством подогрева узкой области на поверхности модели с помощью вмонтированного в модель нагревательного элемента. В этом случае в окрестности выделенной области градиенты плотности жидкости заметно возрастают, что дает возможность, несколько уменьшив чувствительность аппаратуры, отсеивать элементы интегральной картины течения с целью более четкого выделения локального спектра обтекания;
в) искусственная визуализация внешнего течения около модели с помощью тепловой гребенки. В этом способе, как и в предыдущем, можно также использовать возможности уменьшения чувствительности ВОУ;
г) комбинированные способы визуализации течения. Меняя чувствительность ВОУ и регулируя силу тока в электрических нагревательных элементах, можно с помощью сочетания интегральных, локальных и внешних картин течения получать различные комбинированные спектры обтекания.
3. Для иллюстрации упомянутых в предыдущем пункте способов визуализации и оценки их возможностей путем сопоставления с известными опытами Прандтля [1] рассмотрим обтекание кругового цилиндра. На рис. 2 приведены фотографии спектров обтекания цилиндра: а) интегральная картина течения; б) локальная картина течения; в) картина внешнего течения в комбинации с естественной визуализацией. Представленные спектры получены примерно в одинаковые моменты времени после быстрого разгона потока от нулевого до постоянного значения скорости, соответствующей числу Рейнольдса Ре = 2100 (за характерный линейный размер принят диаметр цилиндра).
Важно отметить, что интегральная и локальная картины течения весьма сходны между собой. Это говорит в данном случае о синхронном развитии явлений в различных по размаху сечениях модели, хотя небольшое рассогласование обтекания отдельных сечений все-таки наблюдается, что проявляется в некотором уменьшении четкости изображения вихрей, зафиксированных в интегральном спектре (рис. 2, а), по сравнению с локальной картиной течения (рис. 2, б). Заметим также, что близость локального и интегрального спектров обтекания экспериментально подтверждает теоретически обоснованный результат [16] о малости искажений, вносимых в течение нагревательным элементом.
Визуализация внешнего течения в комбинации с естественной визуализацией (рис. 2, в) позволяет выделить из набегающего на модель в рассматриваемом сечении потока часть жидкости и проследить в дальнейшем, как эта масса жидкости захватывается
обтекаемым телом и увлекается в его кормовую область, формируясь в разгонные вихри. Описанный процесс, как извест-
Рис. 2
Рис. 3
но, составляет основу механизма образования сопротивления при отрывном обтекании тел. Кроме того, сужение спиралевидной области, ограниченной внешней струйкой и сошедшими с поверхности цилиндра частицами жидкости, указывает на то, что не вся захваченная телом масса жидкости достигает ядра вихря. На кормовой части поверхности цилиндра наблюдается вторичный отрыв возвратного течения, обусловленного вихревым движением жидкости.
На рис. 3, а показан локальный спектр течения для более поздней фазы развития отрывных разгонных вихрей. Возможности оптического метода позволили четко проследить спиралевидную структуру вихря, напоминающую теоретическую схему строения вихрей.
На рис. 3, 6 зафиксировано течение за цилиндром на той же стадии развития, что и в предыдущем случае. Отличие состоит в том, что наряду с подогревом центрального сечения модели было осуществлено увеличение чувствительности ВОУ, что позволило увидеть спиралеобразный вихрь в центральном сечении (локальный спектр) сквозь „вуаль“ интегральной картины течения, образовавшейся в результате рассогласованного по размаху модели обтекания отдельных сечений.
Периодический процесс формирования дорожки Кармана, развивающийся в последующие моменты времени, показан на рис. 3, в. Виден хорошо развитый вихрь, образованный частицами жидкости, сошедшими с верхней поверхности цилиндра. И в этом случае наблюдается вторичный отрыв возвратного течения, обусловленный этим вихрем и возникающий на кормовой части поверхности цилиндра вблизи его горизонтальной плоскости симметрии. На нижней поверхности цилиндра прослеживается зарождение вихря противоположного направления вращения. Стадия несимметричного течения за цилиндром была также исследована оптическим методом и в аэродинамической трубе [9].
На рис. 4 показано вихревое течение за полуцилиндром, полученное путем естественной визуализации и зафиксированное через
Рис. 4
о
некоторый отрезок времени после быстрого увеличения скорости потока в гидротрубе от нуля до постоянного значения, соответствующего числу Re =1800. Как и в случае начальной фазы обтекания цилиндра, здесь наблюдается довольно согласованное по размаху модели течение, сопровождающееся развитием пары практически симметричных разгонных вихрей. Это течение может быть рассчитано на основе современных методов [17].
Полученные результаты показали эффективность применения метода оптической визуализации при изучении течений в гидродинамической трубе как в случае исследования общей картины обтекания, так и для детализации и выявления ее отдельных особенностей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прандтль Л., Титьенс О. Гидроаэромеханика. М.—Л.,
ГТТИ, т. 1, 1933. М.—Л., ОНТИ, т. 2. 1935.
2. Современное состояние гидроаэродинамики вязкой жидкости.
Сб. под ред. С. Гольдштейна, М., Изд. иностр. лит-ры, т. 1, т. 2, 1948.
3. Л и п м а н Г. В., Р о ш к о А. Элементы газовой динамики. М.,
Изд. иностр. лит-ры, 1960.
4. Васильев Л. А. Теневые методы. М., .Наука", 1968.
5. Шлих тин г Г. Теория пограничного слоя. М., .Наука*, 1969.
6. Колков В. Г. Исследование вихревой системы несущего винта вертолета. .Ученые записки ЦАГИ*, т. 1, № 4, 1970.
7. Г о л о в а т ю к Г. И., Т е т е р ю к о в Я. И. Вихревая система
модели фюзеляжа на закритических углах атаки. .Ученые записки ЦАГИ“, т. 2, 5, 1971.
8. Божков В. М., Захарченко В. М., М о 3 о л ь к о в А. С.,
X о н ь к и н А. Д. Метод визуализации дозвуковых течений и его применение к исследованию обтекания профилей. .Ученые записки ЦАГИ*, т. 3, № о, 1972.
9. Божков В. М. Визуальное изучение вихреобразования в следе за цилиндром. Тезисы докладов 111 конференции по прикладной аэродинамике, Киев, 1973.
10. Чжен П. Отрывные течения. М., .Мир*, 1972—1973.
11. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М., .Мир*. 1973.
12. Werle Н. Hydrodynamic flow visualization. .Annual Review of Fluid Mechanics”, vol. 5, 1973.
13. Ананьева 3. Л., Берты нь В. Р., Земцова Г. В., ПодмазовА. В., Пономарев Б. В. Экспериментальное исследование течения в следе за плоскими телами с тупым кормовым срезом с применением оптических методов. .Ученые записки ЦАГИ", т. 5, № 1, 1974.
14. Л а в р е н т ь е в М. А., Шабат Б. В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М., .Наука*. 1977.
15. А н и м и ц а В. А., Головкин В. А., Головкин М. А., Колков В. Г. Исследование отрывного обтекания усеченных эллипсоидов вращения с плоской донной поверхностью. .Ученые записки ЦАГИ*, т. 8, № 3, 1977.
16. Божков В. М., Хонькин А. Д. О визуализации течения в пограничном слое несжимаемой жидкости. .Ученые записки ЦАГИ*, т. 3, № 6. 1972.
17. Головкин В. А., Головкин М. А. Численное решение задачи о нестационарном и отрывном обтекании тел произвольной формы идеальной несжимаемой жидкостью. Сборник докладов на VI международной конференции по численным методам в гидродинамике. Тбилиси, 20—25 июня 1978, т. II, 1978.
Рукопись поступим 31VII 1979 г.
