CC BY
39
_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м IX 197 8
№ 2
УДК 532.526:533.694.71/.72
РАЗВИТИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ ПРИ ЩЕЛЕВОМ ОТСАСЫВАНИИ
В. В. Козлов, В. Я■ Левяенко, В. А. Щербаков
Исследован процесс развития первоначально синусоидальных возмущений в ламинарном пограничном слое при наличии отсасывания газа через узкую щель. Определены условия, при которых щелевое отсасывание как средство ламинаризации течения становится неэффективным.
Известно, что отсасывание газа является эффективным средством управления пограничным слоем. Литература, отражающая результаты исследований пограничного слоя с отсасыванием, весьма обширна (см. []]). При использовании отсасывания как средства ламинаризации пограничного слоя необходимость прогнозирования дестабилизирующего влияния различных факторов вызвала целый ряд соответствующих экспериментальных работ. В частности, эффективность отсасывания для затягивания перехода к турбулентности в пограничном слое при наличии уступов исследовалась в работе [2], при воздействии акустического поля и наличии вибраций обтекаемой поверхности — в работе[3], при повышении степени турбулентности внешнего потока —в работе [4]. В результате приведенных исследований получены ценные эмпирические данные по влиянию различных факторов на эффективность отсасывания пограничного слоя. В то же время механизм воздействия внешних факторов на пограничный слой при отсасывании газа практически не исследован. Имеется очень ограниченное количество данных о структуре ламинарного пограничного слоя с отсасыванием, о развитии в нем малых возмущений, являющихся возможной стадией перехода к турбулентному течению.
Восприимчивость ламинарного пограничного слоя по отношению к внешним воздействиям является одним из актуальных вопросов современной теории гидродинамической устойчивости [б], в исследовании кот ■ < го сделаны лишь первые шаги. В работе [6] показано, что в определенны ■; словиях внешнее акустическое поле возбуждает собственные колебания пограничного слоя — так называемые волны Толлмина — Шлихтинга, причем их генерация происходит в окрестности передней кромки пластины из-за ее вибрации под воздействием звука. Эксперименты [7] указывают на то, что вихревые возмущения внешнего потока преобразуются в собственные колебания пограничного слоя также главным образом в окрестности передней кромки.
В работе [8] сделана попытка объяснить влияние изолированной шероховатости на переход в пограничном слое возбуждением неустойчивых волн Толлмина — Шлихтинга. Таким образом, есть основания полагать, что влияние различных внешних факторов на течение в пограничном слое при определенных условиях сводится к установлению соответствующих начальных амплитуд собственных колебаний пограничного слоя, развивающихся далее в соответствии с
теорией гидродинамической устойчивости, хотя механизм их возбуждения не известен.
В данной работе исследован процесс развития первоначально синусоидальных возмущений в ламинарном пограничном слое при наличии отсасывания газа через узкую щель. Определены условия, при которых щелевое отсасывание как средство ламинаризации течения становится неэффективным.
Эксперименты проводились в аэродинамической трубе Т-324 ИТПМ СО АН СССР [9] на модели плоской пластины шириной 1 м, длиной 1,2 м, толщиной 10 мм. Носовая часть пластины представляла собой два полуэллипса с отношением полуосей на рабочей поверхности 1:66, на противоположной —1:33. Опыты проводились при скорости набегающего потока = 10 м/с и степени турбулентности — 0,04%. Отсасывание проводилось через щель шириной 0,58 мм, длиной 93 мм, глубиной Змм, расположенной на расстоянии Х{ — 0,498 м от передней кромки. Камера отсасывания обеспечивала равномерный расход воздуха по длине щели. Расход воздуха через щель фиксировался с помощью расходомерной шайбы. Интенсивность отсоса соответствовала числам Рейнольдса
Ие*=-—*-=52 и 104, где — среднерасходная скорость в щели.
Введение Твозмущений в пограничный слой производилось с помощью вибрирующей ленты. Ленточка длиной 250 мм, шириной 2,5 мм, толщиной 0,05 мм располагалась на расстоянии 145 мм от передней кромки и 0,15 мм от поверхности пластины- Для вибрации ленточки с заданной частотой создавалось постоянное магнитное поле в области расположения ленточки, а на ленточку подавалось переменное напряжение заданной частоты. Частота ^ вводимой волны выбиралась из области нарастания возмущений для пограничного слоя Блазиуса и была
2т« /
равна 118,6 Гц, что соответствовало частотному параметру Г — —^— =112- 10~6.
«со
Начальная амплитуда волны варьировалась.
Регистрация процесса развития возмущений осуществлялась с помощью термоанемометра 01БА 55001 с линеаризованной характеристикой. Одновре-
менно регистрировалась и средняя составляющая скорости. Перемещение датчика термоанемометра поперек пограничного слоя производилось при квазинепре-рывном перемещении. Перемещение осуществлялось мелкими шагами через
0,01 мм с частотой 80 шагов в минуту. Запись величин скорости производилась на двухкоординатном самописце ЕпсИт, причем переменная составляющая подавалась предварительно на анализатор спектров РАТ-1, который пропускал только заданную частоту.
На фиг. 1—4 приведены данные по развитию возмущений, имеющих достаточно малые начальные амплитуды вверх по потоку от щели. На фиг. 1 представлены профили пульсационной составляющей скорости в пограничном слое без отсасывания (фиг. 1, л) и с отсасыванием при Ие^ = 52 (фиг. 1, 6). Аналогичные данные для значения Ие^= 104 приведены на фиг. 2, на которой представлены также соответствующие профили средней скорости в пограничном слое. Измерения проводились от у = 0,2 мм, на графиках сделана экстраполяция по у до нуля. Из графиков видно, отсасывание понижает уровень пульсаций ско рости по всей толщине пограничного слоя как вниз по потоку от щели, так и перед
у,мм
■100%
О 0,2 0,4- 0,6 0,8 и/иоо
у,ММ
0,2 0,4- &г6 0,8 и/ип
700%
О 0,2 0,¥ 0,6 0,8 и/и о.
щелью. Понижение уровня пульсаций находится в соответствии с формой локальных профилей средней скорости, которые при отсасывании становятся более наполненными на значительном расстоянии (по сравнению с размерами щели) вверх по потоку от щели.
При распространении вниз по потоку от щели возмущения сильно затухают. Профили средней скорости при этом, хотя и становятся менее наполненными, все более приближаясь к профилю Блазиуса, но имеют очень устойчивую форму, и возмущения развиваются в области устойчивости согласно линейной теории. В частности, при х — х( = 196,5 мм профиль средней скорости (фиг. 2, е) близок к профилю скорости семейства Фокнера — Скэн с формпараметром (3 = 0,1 и критическим числом Ие*р = 1390 [10], в то время как измеренное местное, число Ие* 1100. К сожалению, за дальнейшим развитием профилей средней и пульса-ционной скоростей проследить не удалось из-за смыкания при х — лг/ = 300 мм турбулентых клиньев, начинающихся на концах щели.
На фиг. 3 показано изменение максимума в профиле возмущений вдоль пластины для различных начальных амплитуд без отсасывания и с отсасыванием пограничного слоя. Отсутствие зависимости процесса развития возмущений от величины начальной амплитуды свидетельствует о том, что он протекает в соответствии с линейной теорией гидродинамической устойчивости.
На фиг. 4 показано изменение пульсационной составляющей скорости, взятой в точке, соответствующей максимальному значению по толщине пограничного слоя, при различных интенсивностях отсасывания. При относительно интенсивном отсасывании (Ке^=104, = 0,28) в данном случае турбулизации
течения не наблюдалось. Следует отметить, что в непосредственной близости щели, в частности для условий, соответствующих фиг. 2, в, имеется значительная поперечная составляющая скорости, и термоанемометр регистрирует величину вектора скорости. Профили продольных составляющих скорости в окрестности щели имеют сложный вид с точками перегиба, и даже с отрицательными значениями скорости вблизи стенки [11]. Вследствие сильного локального воздействия на течение отсасывания через узкую щель можно было ожидать изменений и в поведении возмущений, особенно при интенсивном отсосе. Однако,
■100%
а)
4-т%
1Г*- м 2 / ,7 •ч
А 1
I Л ЖЖ Ре
как демонстрируют данные, приведенные на фиг. 1—4, развитие возмущений протекает плавно, без каких-либо резких изменений в окрестности щели.
На фиг. 5, б— д представлено развитие возмущений без отсасывания и с отсасыванием (Яе*= 52), когда отсасывание проводится на различных стадиях перехода к турбулентности. Для пограничного слоя без отсасывания можно выделить четыре основных стадии перехода [12]. Развитие амплитуды основной волны при этом качественно изображено на фиг. 5, а, где цифрами 1—4 обозначены характерные стадии процесса, а цифрами /—IV местоположение щели для отсасывания в режимах, которым соответствуют фиг. 5, б—д. Изменение местоположения щели относительно каждой стадии достигалось изменением начальной амплитуды волны.
На стадии /, когда амплитуда возмущения достаточно мала, вначале происходит его линейное развитие, т. е. развитие, в соответствии с линейной теорией. При достижении максимумом амплитуды основной волны величины порядка 0,5% начинается генерация и развитие высших гармоник, которые к концу этой стадии достигают заметных величин по отношению к амплитуде основной волны. Процесс на этой стадии — стадии линейного и слаболинейного развития возмущений—является достаточно упорядоченным, без заметной роли трехмерности [12]. Отсасывание при малых амплитудах основной волны (фиг. 5,6), как показано выше, является очень эффективным средством ее подавления. Эффективность отсасывания не нарушается, когда оно проводится и при достаточно больших амплитудах, при протекании нелинейных процессов. Это демонстрирует фиг. 5 в, на которой изображено развитие возмущения, когда отсасывание проводится в конце стадии — начале стадии 2 перехода.
На стадии 2 рост основной волны и ее гармоник прекращается, и возможно даже некоторое уменьшение их амплитуд. На этой стадии — стадии относительного равновесия — начинается рост низких частот, в частности субгармоник, зарождаются сложные пространственные вихревые движения, происходит как бы подготовка к стадии 3. Стадия 3 характеризуется бурным взаимодействием основной волны и ее гармоник с низкими частотами, интенсивным ростом всех составляющих спектра возмущений, наличием интенсивных вихрей. На стадии 4 происходит окончательное формирование турбулентного режима течения [12]',
Как демонстрирует фиг. 5, г, отсасывание на стадии 2 малоэффективно. Как и в предыдущих случаях происходит существенное уменьшение амплитуды основной волны вверх и вниз по потоку от щели. Но отсасывание не в состоянии окончательно подавить начинающееся на этой стадии перехода образование пространственной вихревой структуры и развития назких частот. Оно лишь несколько растягивает зону относительного равновесия. Несмотря на низкое значение амплитуды основной волны, в определенный момент начинается бурное протекание процессов, характерных для стадии 3 перехода. Возможность дальнейшего затягивания стадии 2 или подавления протекающих на ней процессов путем отсасывания через последующую щель подлежит дополнительному исследованию. Предотвратить или ослабить протекание процессов стадии 3 перехода путем отсасывания в этой зоне не удается (фиг. 5, а).
Таким образом, эффективность отсасывания как средства затягивания перехода к турбулентности зависит не от интенсивности пульсаций внутри пограничного слоя, а от стадии протекания процесса перехода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., „Наука”, 1969.
2. Pfenninger W., Groth Е. Low drag boundary-layer suction experiments in flight on a wing glove of F-94A airplane with suction through a lange number of fine slots. .Boundary Layer and Flow Control", vol. 2, Oxford, 1961.
3. Bacon J., Pfenninger W., Moore C. Investigation of a 30° swept and a 17-foot chord straight suction wing in the presence of internal sound, external sound and mechanical vibrations. „Symmery of Laminar Boundary-layer Control Research", vol. 1, 1964.
4. Мозольков А. С., Прозоров А. Г. Влияние турбулентности набегающего потока на эффективность ламинаризации пограничного слоя путем щелевого отсасывания. Труды ЦАГИ, вып. 1661, 1975.
5. Keshotko Е. Boundary-layer stability and transition. „Annual Reviews of Fluid Mechanics", N 8, Palo Alto, 1976.
