CC BY
103
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Том XX
1989
№ 3
УДК 533.6.071.4 : 532.517.4
ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА В РАБОЧЕЙ ЧАСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ С ПОМОЩЬЮ СЕТОК, УСТАНОВЛЕННЫХ В ФОРКАМЕРЕ
Г. И. Дербунович, А. С. Земская, Е. У. Репик, Ю. П. Соседко
Показано, что оптимальные соотношения между геометрическими размерами детурбулизирующих сеток и расстоянием х между местом их установки и измерительным сечением, полученные для случая плоско-параллельного потока, остаются справедливыми и в случае потока в аэродинамической трубе с переменным поперечным сечением тракта трубы, если действительное расстояние х заменить эквивалентным расстоянием хэкв, определяемым с учетом изменения скорости потока по длине тракта трубы.
Для снижения уровня турбулентности потока в аэродинамических трубах широко используются детурбулизирующие (гасящие) сетки, при этом большое значение придается правильному выбору параметров сетки. Как показывают опыты, существуют оптимальные геометрические размеры детурбулизирующих сеток, так же как и оптимальные условия их расположения в зависимости от масштаба и интенсивности турбулентности набегающего потока. В [1, 2] установлено, что если для снижения уровня турбулентности набегающего потока ео используется де-турбулизирующая сетка с коэффициентом заполнения 54 = = 1 — (1—¿1/УИ1)2~0,4, то оптимальное расстояние х^х\ от нее до измерительного сечения (рис. 1), в котором уровень турбулентности за детурбулизирующей сеткой 81 будет минимальным (е1 = 8цшп), определяется из соотношения:
При ЭТОМ минимальный уровень турбулентности 8i rnin можно определить с помощью выражения:
(2)
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: а—с постоянным поперечным сечением канала; б—с переменным поперечным сечением канала: /—сетка-генератор турбулентности; 2—детурбулизирующая
сетка; 3—измерительное сечение; 4—сетка-маниПулятор; 5—форкамера; 5—сужающееся сопло; 7—рабочая часть; диффузор
Здесь е = \^и'21и—относительная интенсивность продольной составляющей пульсаций скорости; — коэффициент гидравлического сопротивления детурбулизирующей сетки; Ми й1 и М0, £/0 — размер ячейки и диаметр прутка соответственно гасящей сетки и сетки-генератора турбулентности, моделирующей турбулентность набегающего потока.
В опытах [1] повышенный уровень турбулентности набегающего потока е0 в измерительном сечении аэродинамической трубы создавался специально с помощью крупноячеистой сетки-генератора с геометрическими размерами М0 и с?0, установленной вверх по потоку от измерительного сечения, что было необходимо для проведения методических исследований. Однако следует отметить, что формулы (1) и (2) могут быть использованы и в том случае, когда высокий уровень турбулентности набегающего потока не создается специально сеткой-генера-тором, а обусловлен реальными условиями течения в аэродинамической трубе, точный учет которых по всему тракту трубы не всегда представляется возможным. В этом случае реальный уровень турбулентности набегающего потока в аэродинамической трубе можно представить как турбулентность, порождаемую некоторым условным генератором турбулентности, т. е. генератором, условно установленным в заданном сечении трубы и способным генерировать турбулентность, эквивалентную реальной турбулентности, порождаемой всеми возможными источниками возмущений вверх по потоку от измерительного сечения. Геометрические размеры этой условной сетки-генератора (М0 и с10) и место ее расположения, т. е. расстояние х0 от измерительного сечения в рабочей части трубы до условной сетки-генератора, могут быть рассчитаны по измеренным значениям ео и йе^/йх в окрестности измерительного сечения, находящегося вниз по потоку от условной сетки-генератора. В самом деле, согласно опыта'м [3], имеем:
.„ = 0,36/5,(^) “ при ^>20.
Тогда при значении коэффициента заполнения сетки-генератора 50^0,4
х ^ 0,7еР • м — «V £1>43
*0 ’ тО — °ХОгО ■
Заметим, что использование понятия условного генератора, порождающего турбулентность, эквивалентную реальной турбулентности набегающего потока, весьма удобно с методической точки зрения, так как позволяет аналитически описать реальную турбулентность в любой точке вверх по потоку от измерительного сечения.
При выборе значения коэффициента заполнения гасящих сеток 54«0,4 были приняты во внимание следующие соображения. Как показано в работах [3—5], использование сеток с большим коэффициентом заполнения (54>0,5) приводит к появлению существенных неравномерностей поля осредненной скорости за сетками, а при 51 <0,35 сетка становится малоэффективной для порождения и гашения турбулентности из-за малого коэффициента ее гидравлического сопротивления [6].
Соотношения (1) —(2) были получены для условий течения, когда сетка-генератор, детурбулизирующие сетки и само измерительное сечение находятся в канале постоянного сечения. Однако в реальных условиях работы аэродинамической трубы детурбулизирующие сетки, как правило, располагаются в форкамере, в то время как измерительное сечение находится в рабочей части, 'вниз по потоку от сужающегося сопла трубы, при этом поперечное сечение рабочей части существенно меньше сечения форкамеры.
Ниже приводятся результаты экспериментального исследования влияния сужающегося сопла на эффективность работы детурбулизирую- , щих сеток, установленных в форкамере трубы и предназначенных для снижения уровня турбулентности потока в рабочей части аэродинамической трубы. Полученные опытные данные позволяют скорректировать формулы (1) и (2) .таким образом, чтобы при расчете эффективности гашения турбулентности с помощью детурбулизирующих сеток учитывалось изменение скорости потока, обусловленное неравномерностью поперечного сечения по длине тракта аэродинамической трубы.
Опыты проводились в дозвуковой аэродинамической трубе со съемными сужающимися соплами (длиной 200 мм) при номинальных значениях коэффициента поджатая сопла С= -^ = 1; 2 и 4. Здесь ин и ¿Ук —
значения скорости потока соответственно перед сужающимися соплом и на выходе из сопла.
Высокий начальный уровень турбулентности набегающего потока в аэродинамической трубе в настоящих опытах, также как и в работе [1], создавался с помощью генератора турбулентности; установленного в форкамере трубы (см. рис. 1,6). В качестве генератора турбулентности использовалась двухплоскостная сетка № 1 (см. таблицу). Между сеткой-генератором и сужающимся соплом была расположена де-турбулизирующая сетка, которая могла перемещаться вдоль оси х потока с помощью специального координатника. В опытах использовались детурбулизирующие сетки с разными геометрическими размерами (сетки № 2 и № 3). Осредненная скорость потока и интенсивность пульсаций скорости измерялись с помощью термоанемометра постоянной температуры типа 01БА 55А01.
Для получения надежных опытных данных необходимо, чтобы после поджатия потока в сопле измеряемые значения 81 за детурбулизи-
№ сетки М, мм • мм 5 *
1 23 6 0,45 1,06
2 8 2 0,44 0,99
3 4 1 0,44 1,03
4 1 0,25 0,44 1.2
рующей сеткой были заметно больше уровня паразитных (акустических) возмущений еп, которые, как правило, присутствуют в рабочей части трубы. В настоящих опытах это достигалось как путем увеличения интенсивности (и масштаба) начальной турбулентности набегающего потока 8о, так и путем уменьшения уровня паразитных возмущений еп в рабочей части трубы. Высокий уровень турбулентности е0 создавался с помощью генератора турбулентности, геометрические параметры которого выбирались в соответствии с рекомендациями [3].
С целью снижения уровня паразитных возмущений в настоящих опытах перед входом потока в диффузор (в конце рабочей части трубы) была установлена мелкоячеистая сетка-манипулятор № 4. Сетка-манипулятор препятствует распространению вверх по потоку возмущений, обусловленных пульсирующим течением в диффузоре из-за возможных местных нестационарных отрывов пограничного слоя на стенках диффузора. Как показано в работе [7], установка сетки-манипулятора заметно снижает уровень паразитных возмущений в рабочей части аэродинамической трубы. Однако полностью устранить эти возмущения указанным способом в настоящих опытах не удалось. В связи с этим при обработке опытных данных возмущения еп, которые не были устранены с помощью сетки-манипулятора, вычитались из измеренных суммарных значений еИЗм с использованием соотношения
__ 1/2 2
^1 —‘ У ^изм * •
При этом предполагалось, что паразитные возмущения еп не коррели-рованы с турбулентностью потока е% в измерительном сечении. Значение еп определялось путем измерения степени турбулентности в рабочей части трубы после поджатия потока в сужающемся сопле при отсутствии сетки-генератора и детурбулизирующих сеток перед соплом. Учитывая, что в настоящих опытах забор воздуха в аэродинамическую трубу осуществлялся из атмосферы с малой степенью турбулентности, а также принимая во внимание последующее снижение турбулентности при прохождении потока через сужающееся сопло, можно полагать, что уровень турбулентности потока в рабочей части трубы в этих условиях определяется главным образом паразитными возмущениями, поступающими из диффузора.
На рис. 2, а представлены опытные данные в виде зависимости отношения Е1/ео от относительного расстояния XI/х0 для разных значений коэффициента поджатия С. Опыты проводились при постоянном значении скорости потока перед поджатием £/н=3,8 м/с с использованием детурбулизирующей сетки № 2. Как видно, оптимальное значение хг/х0, при котором наблюдается минимальное значение 81/ео, является разным для разных значений коэффициента поджатия С, при этом с увеличением С величина х*!х0 возрастает.
Рис, 2. Влияние коэффицииента поджатия С сужающегося сопла на зависимость 81/80 от отношения а — фактических расстояний Х1/Х0 И б — ЭКВИВалеНТНЫХ раССТОЯНИЙ XI экв/*0 экв
Анализ показывает, что одной из основных причин расхождения значений xl/x0 может явиться неправомерность использования физической координаты х в качестве независимой переменной в условиях потока с изменяющейся скоростью по длине тракта аэродинамической трубы. В самом деле, широко распространенное в экспериментальной практике представление характеристик турбулентности за сетками в функции от продольной координаты х применимо только в условиях равномерного потока. Это связано с тем, что динамика вырождения турбулентности, порождаемой сеткой, определяется временем t ее существования. В условиях потока в канале постоянного сечения (¿7 = const) вместо времени t обычно используют продольную координату х, связанную с t соотношением X=Ut.
По аналогии с этим введем в случае U (х) =vаг понятие эквивалентного расстояния хЭКв- Значение хэкв может быть определено как
X
*экв = Un- J, (3)
О
т. е. как произведение начальной скорости потока UH в форкамере трубы перед соплом на полное время существования турбулентности
х
. Г dx
J Щх) ’ 33 котоРое поток проходит расстояние от сетки, располо-0
женной в форкамере, до измерительного сечения в рабочей части трубы.
Таким образом, с физической точки зрения величина лгэкв соответствует тому расстоянию от сетки, которое успел бы пройти поток за сеткой в течение времени t в условиях равномерного течения с постоянной скоростью £/=£/н, соответствующей скорости обтекания сетки.
Введение понятия л:экв позволяет сравнивать в одних и тех же координатах результаты измерений, полученные в канале постоянного сечения (С=1) и в канале переменного сечения с поджатием потока в сопле (С>1). Это дает возможность распространить результаты опытов, полученные для потоков с постоянной скоростью, на случай течения с переменной скоростью.
Рис. 3. Влияние геометрических размеров детурбулизирующей сетки, скорости потока и коэффициента поджатия С сужающегося сопла на зависимость 81/80 от х\ экв Ао экв
Как видно из рис. 2, б, замена отношений фактических расстояний х^/хц отношением эквивалентных расстояний Х1экв/*оэкв, определяемых с помощью преобразования (3), приводит к совмещению минимумов кривых 81/60=/(*1Экв/*оэкв), соответствующих разным значениям коэффициента поджатия С.
На рис. 3 приведены результаты систематических экспериментальных исследований при различных значениях скорости потока с использованием детурбулизирующих сеток разных геометрических размеров. Видно, что обработка опытных данных в виде зависимости 61/80 от *1экв/*оэкв позволяет для заданных геометрических размеров сетки при всех исследованных значениях С получить единые универсальные кривые, соответствующие условиям плоско-параллельного течения (С=1).
Таким образом, введение понятия об эквивалентных расстояниях дает возможность использовать соотношения (1) и (2) (полученные для плоско-параллельного потока) и в условиях течения в каналах с переменным сечением, например, в аэродинамических трубах при наличии форкамеры, сужающегося сопла и рабочей части трубы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дербунович Г. И., Земская А. С., Ре пик Е. У., С о-
с е д к о Ю. П. Оптимальные условия управления интенсивностью турбу- ' лентности потока с помощью сеток. — Сб.: Механика неоднородных турбулентных потоков. — М.: Наука, 1989.
2. Репик Е. У., Сосед ко Ю. П., Дербунович Р. И., Земская А. С. Способ управления интенсивностью турбулентности в плоско-параллельном потоке. — А. с. № 1298435, Бюллетень «Открытия, изобретения», 1987, № 11.
3. Д е р б у н о в и ч Г. И., 3 е м с к а я А. С., Р е п и к Е. У., С о с е д-к о Ю. П. Использование сеток для управления структурой турбулентного потока в аэродинамических трубах. — Ученые записки ЦАГИ, 1982, т. 13, № 1.
4. Baines W. D., Peterson E. G. An investigation of flow through screens. — Trans. ASME, 1951, vol. 73, N 5.
5. В r a d s h о w P., Pankhurst R. C. The design of low-speed wind tunnels. — Progress in Aeronautical Sciences, 1964, vol. 5.
6. Дербунович Г. И., Земская А. С., Репик E. У., Со-с е д к о Ю. П. К вопросу о гидравлическом сопротивлении сеток. — Ученые записки ЦАГИ, 1980, т. 11, № 2.
7. Дербунович Г. И., Земская А. С., .Репик Е. У., С о-седко Ю. П. Влияние конфузорности течения на уровень турбулентности потока, —Изв. АН СССР, МЖГ, 1987, № 2.
Рукопись поступила 29/II 1988 г.
