CC BY
36
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ То м XVII I 9 86
№ 6
УДК 533.6.071.082.5 : 621.375.8 : 778.38
ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ ДВУМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ
Ф. Н. Горюнов, Н. Н. Маркович, А. Д. Фролова, Г. К. Шаповалов, В. А. Яковлев
Представлены результаты экспериментального исследования обтекания двумерных моделей при дозвуковых скоростях с помощью голографической интерферометрии. Исследования проведены в малотурбулентной аэродинамической трубе с размерами рабочей части 1x1 м при скорости набегающего потока до 70 м/с. Получены количественные данные по распределению давления на исследуемых моделях, которые согласуются с результатами пневмометрических измерений.
Проблема диагностики течения газа в аэродинамических трубах оптико-физическими методами всегда была одной из важнейших в экспериментальной аэродинамике. Возможности этих методов существенно расширились с появлением лазеров и голографии [1]. Особый интерес проявлен к голографической интерферометрии, поскольку она основана на уникальном свойстве голографии обеспечивать регистрацию информации об объекте исследования путем интерференции двух световых волн, существующих и записанных на голограммах в разное время. При использовании методов и средств голографической интерферометрии, так же как и классической интерферометрии, кроме получения качественной визуализационной картины обтекания модели, извлекается количественная информация о , поле двумерного и осесимметричного течения; по одной интерферограмме, имея опорное значение плотности (давления), можно расшифровать поле плотностей (давлений) вокруг модели и, тем самым, получить информацию о силах и моментах, действующих на модель. Эта информация ценна тем, что получается по всему полю в один и тот же момент времени; время сбора информации определяется временем экспонирования светочувствительного материала, что позволяет регистрировать нестационарные и быстропротекающие процессы.
Практика показала, что применение методов и средств голографической интерферометрии оказывается наиболее эффективным в сочетании с другими локальными средствами измерения, например, лазерным доплеровским измерителем скорости (ЛДИС) [2].
Настоящая работа была поставлена с целью выявления возможностей метода голографической интерферометрии при проведении эксперимента в аэродинамической трубе с большим размерам рабочей части. Работа заключалась в изучении обтекания цилиндров при различных числах 1?е и аэродинамического профиля.
Экспериментальные исследования проводились в малотурбулентной аэродинамической трубе с рабочей частью квадратного сечения 1X1 м ■, длиной 4 м. В качестве исследуемых моделей использовались цилиндры диаметром 80 и 120 мм с размахом 1 м и суперкритический профиль с хордой 300 мм и размахом также 1 м, устанавливаемые поперек потока между стеклами смотровых окон. Диаметр смотровых окон 400 мм.
Для получения интерференционных изображений картин течения использовался лазерно-голографиский интерферометр, предназначенный для визуализации больших полей. Интерферометр работает в автоколлимационном варианте с узким опорным
пучком. Выходящий из интерферометра расходящийся рабочий пучок с помощью одиночной линзы диаметром 490 мм с относительным отверстием —1:10 преобразовывался в параллельный. После отражения от плоского зеркала, установленного за рабочей частью аэродинамической трубы, пучок вторично проходит исследуемую область потока и возвращается обратно в интерферометр.
Для уменьшения влияния рефракции на погрешность эксперимента оптическая система интерферометра фокусировалась иа плоскость вблизи заднего защитного стекла [3].
Использовался метод двукратного экспонирования голограмм. Первое экспонирование производилось при отсутствии потока; второе — при заданном режиме. Между экспозициями настройка интерферометра не изменялась, что обеспечивало получение интерферограмм, соответствующих бесконечно широкой полосе. Экспонирование производилось импульсным рубиновым лазером ОГМ-20 с длительностью импульса ~20 не на фотопленку ФПГВ-2. Угол голографирования устанавливался равным примерно 3°. Восстановление голограмм производилось в лабораторных условиях с источником белого света.
V--33 м/с ; Яе *■ 2,7-10-
Рис. 1
На рис. 1 представлена серия интерферограмм обтекания цилиндров с нарастающим значением числа Ие. На рис. 1 , а приведена интерферограмма, соответствующая докритическому числу Не«2,7-105; течение ламинарное; хорошо виден ламинарный отрыв, происходящий, как и следует из теории, на угле, равном примерно 83° [4]. На интерферограмме рис. 1,6 отражена ситуация, соответствующая критическому числу
Ке«3,7 ■ 105, когда течение существенно нестационарное; в отдельных сечениях наблюдается еще ламинарное течение, но уже начался переход и имеются участки (сечения) с развитым турбулентным течением.
На интерферограммах рис. 1, в (Ке»4,05-105) и в особенности рис. 1,г (Не«4,85-105) отражено развитое турбулентное течение с турбулентным отрывом.
Приведенная выше информация о характере течения газа качественно находится в полном соответствии с известными результатами по обтеканию цилиндра, например, с зависимостью коэффициента сопротивления цилиндра от числа Ие [5]. На всех интерферограммах рис. 1 однозначно определяются основные точки и области, характеризующие распределение давления на поверхности моделей и особенности течения газа вокруг моделей, — точка полного торможения потока 1, точки 2 и 4, в которых местное давление равно статическому давлению набегающего потока точка
3, в которой местное давление минимально. Следует также отметить, что голографическая интерферометрия позволяет получать наглядную информацию об изменении структуры потока за определенный промежуток времени между двумя последовательными регистрациями течения (дифференциальные интерферограммы). На рис. 2 приведены мгновенные голографические интерферограммы, соответствующие одному и тому же режиму и разным моментам времени, и дифференциальная интерферограмма, которая зарегистрировала изменение плотности за промежуток времени, равный 3 с.
Кроме качественной информации о течении, голографические интерферограммы содержат подробную количественную информацию о поле потока (двумерного, осесимметричного) в виде распределения плотности среды, а для случая адиабатического течения — в виде распределения давления.
Для получения количественной информации в настоящей работе восстановленные интерферограммы с настройкой на бесконечно широкую полосу обрабатывались по известной методике [2]. Из-за наличия трехмерности поперечного обтекания цилиндра в отрывной зоне количественная обработка интерферограмм производилась только в головной части модели.
Интерференционные полосы в случае двумерного течения представляют собой линии равного показателя преломления (п—п0)Ь=тХ и в соответствии с уравнением Гладстона—Дейла п—1=£р линии равной плотности рт —ро = тХ!к1., где ро — плотность в опорной точке; рт — плотность в данной точке; т — число полос от опорной точки до данной; к — длина волны; Ь — длина хода луча в неоднородности; к— постоянная Гладстона—Дейла; п — показатель преломления света.
При адиабатическом течении линии равной плотности могут быть приняты за линии равного давления [2], тогда с учетом уравнения адиабаты
Знак выбирается с учетом априорных знаний о том, уменьшается или увеличивается давление от опорной точки к данной точке.
При обработке интерферограмм, полученных в эксперименте, за опорное давление в случае цилиндров принималось давление в точке торможения, а для профиля — давление, измеряемое в дренажной точке с координатой, наиболее точно совпадающей с координатой соответствующей интерференционной полосы, а в формуле (1) брался минус. Расчет распределения давления на поверхности цилиндров и профиля проводился с учетом толщины вытеснения пограничного слоя б* на стенках рабочей части аэродинамической трубы в месте прикрепления модели к боковым оптическим стеклам, поскольку реальная длина хода рабочего луча в неоднородности над моделью несколько меньше ширины рабочей части трубы (как раз на величину толщины вытеснения пограничного слоя на обеих стенках трубы, где уже отсутствует неоднородность, существующая над моделями).
Полученные в результате такой обработки данные сравнивались с измерениями распределения давления пневмометрическим способом. Результаты сравнения для цилиндров приведены на рис. 3 и 4. При числе Ке=3,7-105, близком к критическому, наблюдаются расхождения между результатами пневмометрического и оптического методов, что объясняется существенной нестационарностью и трехмерностью течения. Разброс экспериментальных значений наблюдается в каждом методе для различной геометрии моделей, причем для пневмометрического метода (рис. 3) он больше, чем для оптического, так как в пневмометрическом методе измерения носят локальный характер, при существенной трехмерности течения, а в оптическом — интегральный (результат осредняется по размаху модели). При переходе к закритическим числам Ие расхождения в результатах оптических и пневмометрических измерений уменьшаются, что наглядно показано на рис. 4, где представлены результаты измерений при числе Не=6,3-105. На всех исследованных режимах наблюдалось наличие подъемной силы, что еще раз подтвердило существование нестационарности и трехмерности обтекания цилиндров (см. рис. 3) [5].
(1)
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 2
Кроме результатов по визуализации обтекания цилиндров в работе представлены интерферограммы обтекания аэродинамического профиля и их численный анализ.
На рис. 5 и 6 приведены интерферограммы, характеризующие течение около профиля,
установленного под углами атаки а = 6° и 7° соответственно, при скорости набегающего потока и с» = 60 м/с. Анализ этих интерферограмм, полученных при настройке системы интерферометра на полосу бесконечной ширины, позволил составить подробное качественное описание характера течения газа вокруг модели и получить количественную информацию о распределении плотности среды по полю визуализации. Как и для цилиндров, однозначно и наглядно определены точка полного торможения набегающего потока, точки и области максимального разрежения, точки с «развалом» интерференционных полос, в которых давление на поверхности профиля равно статическому давлению набегающего потока. Наличие и расположение этих характерных точек на поверхности профиля позволило, в свою очередь, уверенно определить знаки градиента давления на различных участках контура модели.
Линия, соединяющая точки резкого излома интерференционных полос вблизи верхней поверхности профиля, фактически разделяет зоны изоэнтропийного и неизоэн-
Тзчхпр^'
Рис. 5
Рис. 6
тропийного течения. На интерферограммах хорошо видно, что заметное нарастание зоны неизоэнтропийного течения начинается от точки минимума давления. В районе задней кромки над верхней поверхностью профиля расстояние между интерференционными полосами начинает резко увеличиваться, что свидетельствует о начале отрыва потока. Внутри закольцованной интерференционной полосы под нижней поверхностью профиля в хвостовой его части плотность (давление) во всех точках одинакова. Резкие выбросы в интерферационных полосах в этой области свидетельствуют о наличии отрыва потока и о возможном отходе от двумерности течения.
Количественная информация о распределении давления получена по всему контуру профиля, за исключением области передней и задней кромки, где существенным образом проявляется нестационарность и трехмерность течения.
На рис. 7 и 8 приведены кривые распределения коэффициентов давления на верхней и нижней поверхностях профиля для двух различных углов атаки, полученные путем количественной обработки интерферограмм и измерения давления пневмомет-рическим способом. Поскольку расчет интерферограмм разработан только для изоэн-тропийных течений, пограничный слой, естественно, не рассчитывается по данной методике, т. е. расчет проводится только до внешней границы пограничного слоя. В силу основного постулата теории пограничного слоя о постоянстве давления поперек слоя давление, вычисленное на внешней границе пограничного слоя, отождествляется с давлением на поверхности модели; после чего, так же как и при пневмометрических измерениях, строятся зависимости ср(х). Изломы полос, наблюдаемые в пограничном слое, вызваны температурными градиентами, по ним можно было бы построить температурные поля в пограничном слое, но это не входит в задачи настоящей работы. Максимальное расхождение в результатах измерения давления оптическим и пневмо-
-1,0-
ot-7*
• голографическая интерферометрия^ Верхняя
о пнебмометрия j поверхность
* голографическая интерфсрвметрия\ нижняя
о Р пнебмометрия jповерхность
j * * °. о
4>* ** fa >'“т (,i ?
,*"* V'"'
f/ * *
v
/ Рис. 7
10Р-
-2,0
40
. «=Г
• тографхческая интерферометрияI Верхняя о пнебмометрия - Jповерхность
? голографическая интерферометрия 1 нитняя & пнебмометрия |поверхность
050 . 575 *
^ * Л. „ ^
А р- Р
/
,оГ Рис- 8
метрическим способом не превышает 2%. Расхождение нарастает по мере приближения к передней и задней кромкам модели, где течение близко к предотрывному или отрывному, существенно нестационарное и трехмерное. В этих зонах сравнение интерференционного метода (интегрального по пространству и практически мгновенного во времени) с пневмометрическим (локальным по пространству и интегральным во времени) оказывается неправомерным. Предпочтение какому-то одному из них будет определяться в зависимости от конкретной задачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Speid F. W., Bachalo W. D. Experiments on the flow about a supercritical airtoil, including holographic interferometry. —AIAA Paper, 1980, N 80-0343.
2. Bachalo W. D. An experimental investigation of supercritical and circulation control airfoils at transonic speeds using holographic interferometry.— AIAA Paper, 1983, 'N 83-1793.
3. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. — М.: Мир, 1982.
4. Чжен П. Отрывные течения. —М.: Мир, 1972. Т. 1.
5. Божков В. М., Васильев Л. Е., Жигулев С. В. Особенности поперечного дозвукового обтекания кругового цилиндра. — Изв.
АН СССР, МЖГ, 1980, № 2.
Рукопись поступила 18/VII 1984 г.
Переработанный вариант поступил 31/XII 1985 г.
