CC BY
172
__________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XXIX 19 9 8
№ 1-2
УДК 533.6.071.4:532.517.4
СОЧЕТАНИЕ ХОНЕЙКОМБА С СЕТКОЙ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА
Н. П. Михайлова, Е. У. Репик, Ю. П. Соседко
Проведено экспериментальное исследование эффективности подавления турбулентности потока в аэродинамических трубах с помощью хоней-комба в сочетании с детурбулизирующей сеткой. Устаноатено, что оптимальное расстояние между хонейкомбом и сеткой, при котором имеет место наибольшее подавление турбулентности, составляет 10—12 калибров ячейки хонейкомба. Выявлены условия, при которых наблюдается появление «стоячих волн» на участке между хонейкомбом и сеткой, что сопровождается «пением» потока в аэродинамической трубе.
1. Для увеличения эффективности подавления турбулентности набегающего потока в аэродинамических трубах часто используется набор из нескольких детурбулизирующих сеток [1]—[3]. Однако, как отмечается в [4]—[7], при одном и том же суммарном гидравлическом сопротивлении более эффективным является сочетание перфорированной решетки, или хонейкомба, с детурбулизирующей сеткой. Так, в [4], [5] рекомендуется использовать хонейкомб в сочетании с установленной вплотную к нему мелкой сеткой. Высокая эффективность сочетания хонейкомба с сеткой подтверждается опытными данными [7]. Однако в настоящее время нет ясности в вопросе об оптимальном месте расположения сетки относительно хонейкомба, что отмечается в дискуссии к работе [5].
В цели настоящей работы входило экспериментальное исследование влияния расстояния между хонейкомбом и детурбулизирующей сеткой на эффективность подавления турбулентности набегающего потока.
2. Опыты проводились в дозвуковой аэродинамической трубе при скорости набегающего потока IIх » 7,5 м/с. Схема установки детурбулизирующих устройств в канале трубы приведена на рис. 1. Высокий уровень турбулентности набегающего потока создавался искусственно с помощью генератора турбулентности (Г), для чего использовалась крупноячеистая двухплоскостная сетка с размерами М х Ь = 23 мм х х 6 мм, установленная на расстоянии х0 = 571 мм вверх по потоку от
г/оо^
с с
/7777'
<х+с),
%
1,0
м
’777777777777777?
Z I I Дх
<< 777777V777
Г
4ч L ■■
1ПГ
20 Ax/d
Рис. 1. а) влияние расстояния Ах между хонейкомбом и сеткой на интенсивность турбулентности е(Х+С); б) изменение средней скорости и собственной турбулентности в ближнем следе за хонейкомбом
измерительного сечения (ИС). Исходный уровень турбулентности набегающего потока е0 = л/й'2 / Ux (относительная интенсивность продольной составляющей пульсаций скорости) регистрировался в измерительном сечении аэродинамической трубы и составлял 2,67%.
Исследования проводились с хонейкомбом (X), изготовленным из плотно уложенных стальных трубок диаметром d = 4 мм с толщиной стенок 6 = 0,1 мм, длина которых была равна / = 32 мм (/ / d = 8). Хо-нейкомб устанавливался между генератором турбулентности и измерительным сечением на расстоянии х = 300 мм вверх по потоку от измерительного сечения. Геометрические размеры хонейкомба и место его установки относительно измерительного сечения трубы выбирались в соответствии с рекомендациями работы [8], что обеспечивало наибольшую эффективность подавления турбулентности набегающего потока s0 в условиях работы хонейкомба без сетки. Степень турбулентности, регистрируемая в ИС трубы в следе за сочетанием генератора
турбулентности и хонсйкомба, составляла в(Г + Х) = 1,64% вместо є0 = е(Г) = 2,67% за одиночным генератором, при этом уровень собственной турбулентности, порождаемой хонейкомбом в бестурбулент-ном потоке, составлял е(Х) = 1,28%.
В опытах были исследованы четыре мелкие плетеные сетки (С) разных геометрических размеров (см. таблицу) с разными коэффициентами заполнения 5’ = 1-(1 -Ь/М)2. С помощью х-координатника сетки перемещались между хонейкомбом и измерительным сечением. Значения средней и пульсационной составляющих скорости измерялись с помощью термоанемометра постоянной температуры ОІ8А 55А01.
Сетка М, мм Ь. мм .9 К
Сі 0,65 0,19 0,50 1.93
Сі 1,05 0,24 0,41> 1.2
Сз 1.33 0,36 0,47 1,68
С4 2,46 0,50 0,36 0,85
3. На первом этапе исследований определялся характер воздействия мелкой сетки на собственную турбулентность, порождаемую хонейкомбом в условиях бестурбулентного набегающего потока.
На рис. 1 ,а приведены результаты измерения интенсивности турбулентности е на расстоянии х = 300 мм от хонейкомба при разных расстояниях Ах между хонейкомбом и детурбулизирующей сеткой Сз (см. таблицу). Видно, что по мере удаления сетки от хонейкомба в диапазоне значений Дх от 0 до 50 мм наблюдаются изменения значений е , близкие к периодическим. Отметим также, что при некоторых положениях сетки относительно хонейкомба в этом диапазоне значений Ах явно ощущается на слух «пение» потока на определенной фиксированной частоте.
На рис. 1, б приведено распределение средней и пульсационной составляющих скорости потока вдоль оси ячейки хонейкомба при отсутствии в потоке сетки. Из сопоставления рис. 1,а и б видно, что область резких периодических изменений е за хонейкомбом, установленным в сочетании с сеткой, соответствует ближнему следу за одиночным хонейкомбом, где происходит уменьшение местной средней скорости потока от и * 1,6их до его исходной величины перед хонейкомбом (I//II ж = 1). В этой же области наблюдается резкое возрастание пульсаций скорости г до максимального значения е*9,5% с последующим плавным уменьшением величины 8.
В [8] показано, что в ближнем следе одиночного хонейкомба при х/с! < 10 имеют место периодические по времени пульсации скорости, амплитуда которых нарастает по мере увеличения расстояния х/с1. Это связано с началом перехода ламинарного течения в турбулентное, при этом положение максимума в распределении г по х на рис. 1,6 соответствует появлению пятен турбулентного течения в следе. Частота /
периодических пульсаций скорости в ближнем следе за хонейкомбом определяется геометрическими размерами хонейкомба и скоростью набегающего потока.
Если в качестве характерного размера хонейкомба вместо диаметра ячейки с/ принять диаметр прутка эквивалентной сетки Ьед, то число
Струхаля БЬ, рассчитанное по этому характерному размеру, принимает универсальное значение [8], такое же, как и при обтекании сеток или изолированного цилиндра:
При этом значение для хонейкомбов произвольной геометрической формы может быть определено экспериментально с помощью соотношения
где их — значение скорости в центре ячейки на выходе из хонейкомба при несомкнувшемся пограничном слое.
Из теории колебаний известно, что если периодическая волна распространяется между двумя отражающими стенками, то в том случае, когда расстояние между этими стенками кратно половине длины волны колебаний, возникает «стоячая волна», которая характеризуется удвоением амплитуды колебаний в узловых точках, отстоящих друг от друга на расстояниях Дх*, равных длине полуволны колебаний:
где / — частота колебаний.
Таким образом, можно полагать, что при перемещении сетки в ближнем следе за хонейкомбом (где наблюдаются периодические пульсации скорости) «стоячие волны» будут возникать именно в тех случаях, когда расстояние между хонейкомбом и сеткой будет
Максимальные значения е, наблюдаемые на рис. 1, а, соответствуют появлению «стоячих волн», что сопровождается «пением» потока вследствие усиления амплитуды периодических пульсаций скорости.
Из рис. 1,а следует, что в среднем величина расстояния Дх* между соседними максимумами е(Х + С) при расположении сетки вблизи
811 = ^-*0,2 + 0,25,
где
5е9 = \-ик/Щ,
Дх*=-|?., /. = £///,
хонейкомба ( Ах/(I а 3 - 5) составляет около 2,1 мм. Это хорошо согласуется с расчетной оценкой величины Дх* = л/2 = С^/2/, если использовать результаты измерений частоты / периодических пульсаций скорости, полученные для этого же хонейкомба при той же скорости набегающего потока [8]: / = 2400 Гц; 11х = 7,5 м/с; и{ = 1,51/х (рис. 1,6). Действительно, в этом случае расчет дает Дх* = их / 2/ «2,3 мм, что близко к измеренному значению Дх*ср.
На рис. 2 приведены результаты измерений величины к(Х-гС) в зависимости от Дх для хонейкомба в сочетании с каждой из четырех исследованных детурбулизирующих сеток (см. таблицу) при одном и том же значении скорости набегающего потока IIх = 7,5 м/с. Видно, что характер периодических изменений величины (X + С) и протяженность области этих изменений (Дх ~ 50 мм) практически одинаковы для всех сеток. Это подтверждает высказанное выше предположение о том, что механизм периодических изменений е(Х + С) определяется только характером течения в ближнем следе за хонейкомбом и расстоянием Дх независимо от геометрических параметров используемой сетки. Подтверждением этого являются также приведенные на рис. 3 результаты измерений величины к(Х + С) за хонейкомбом в сочетании с сеткой С 2 при разных значениях скорости набегающего потока (11х =5-13 м/с). Видно, что по мере увеличения скорости 1/х область резких периодических изменений величины в(Х + С) заметно сокращается, что, по-видимому, согласуется с уменьшением в этих условиях протяженности области перехода ламинарного течения в турбулентное 'в ближнем следе за хонейкомбом [8]. Отметим, что в среднем характер изменения величины к(Х + С) в зависимости от Дх в большей мере определяется поведением величины собственной турбулентности в (С), порождаемой одиночной сеткой, установленной в бестурбулентном потоке (см. рис. 3).
4. Выше было рассмотрено взаимодействие детурбулизирующей сетки с турбулентностью, порождаемой хонейкомбом в условиях бестурбулентного набегающего потока (е0 = 0). Рассмотрим теперь случай, когда хонейкомб в сочетании с сеткой используется для подавления высокого уровня турбулентности набегающего потока Р.0 = К (Г).
Измерения проводились при заданном уровне турбулентности набегающего потока е(Г) = 2,67%, создаваемой искусственно путем установки генератора турбулентности на расстоянии х0 = 571 мм вверх по потоку от измерительного сечения. Хонейкомб был установлен в фиксированном положении между генератором и измерительным сечением на расстоянии х = 300 мм вверх по потоку от ИС, при котором имеет место наибольшее подавление турбулентности набегающего потока (е(Г + X) = 1,64%). Исследовалось влияние расстояния Дх между хонейкомбом и сеткой на уровень турбулентности б(Г + Х + С), регистрируемый в измерительном сечении.
Рис. 2. Интенсивность турбулентности за хонейкомбом и сеткой в зависимости от расстояния Лдс между ними в набегающем бестурбулентном (в (X + С)) и турбулизи-рованном (к (Г + X + С)) потоке для разных сеток
Рис. 3. Интенсивность турбулентности в зависимости от расстояния Ах между хонейкомбом и сеткой в набегающем бестурбулентном (к (С) и к (X + С)) и тур-булизированном (е (Г + X + С)) потоке для разных значений скорости потока
На рис. 2 приведены опытные значения е(Г + Х + С) при иж = = 7,5 м/с совместно с соответствующими значениями б(Х + С), полученными в потоке без генератора турбулентности, в зависимости от расстояния Ах для сеток с разными геометрическими размерами (см. таблицу). Анализ этих данных показывает, что в условиях высокотурбу-лизированного набегающего потока установка детурбулизирующей мелкой сетки в ближнем следе за хонейкомбом при Ах/ с/< 10 в общем случае является менее эффективной, чем при Дх/с/ я 10 - 12. Это находится в противоречии с рекомендациями [4], [5], где предлагается устанавливать сетку сразу же за хонейкомбом (Дх = 0).
Этот вывод остается справедливым при всех исследованных скоростях набегающего потока 1/к. На рис. 3 приведено сравнение измеренных значений б(Г + Х + С) и е(Х + С) в функции от Ах для детурбулизирующей сетки С2 в диапазоне значений IIж от 5,3 до 13,3 м/с.
Для количественной оценки эффективности подавления турбулентности набегающего потока с помощью сочетания хонейкомба с
е {Т+Х+с), % сеткой сопоставим результате тт._ = п.чи1г ты, полученные при исполь-
зовании разных детурбулизи-рующих сеток в сочетании с одним и тем же хонейкомбом. На рис. 4,а предсташюно сравнение значений к (Г -г X + С) для разных сеток в зависимости от расстояния Ах при постоянной скорости набегающего потока ик = 7,5 м/с. Здесь же показан исходный уровень турбулентности !:(Г + X), соответствующий условиям подавления турбулентности потока хонейкомбом при отсутствии детурбул изирующей сетки. Влияние скорости потока на зависимость к (Г + X + С) от расстояния Ах для сетки С2 показано на рис. 4, б.
Из анализа результатов, приведенных на рис. 4, следует, что при использовании сочетания хонейкомба с сеткой для подавления высокого уровня турбулентности набегающего потока оптимальное расстояние Дхор{ между хонейкомбом и сеткой, при котором достигается условие е (Г + X + С) = тт, приблизительно равно Дхор1Д} а 10—12.
Что же касается эффективности использования детурбулизирую-щих сеток разных геометрических размеров, то, как видно из рис. 4, а, величина отношения е(Г + Х + С)/е(Г + Х) зависит как от гидравлического сопротивления сетки, так и от размеров ячейки, т. е. в общем случае от собственной турбулентности е(С), порождаемой этой сеткой.
Для оценки эффективности детурбулизирующей сетки, используемой в сочетании с хонейкомбом для подавления высокого уровня турбулентности набегающего потока, можно применять соотношение, полученное ранее в [9] для определения эффективности одиночной детурбулизирующей сетки в условиях высокого уровня турбулентности набегающего потока 8 (Г):
20 &х/И
Рис. 4. Эффективность подавления турбулентности набегающего потока к (Г + X + С) в зависимости от расстояния Ах между хонейкомбом и сеткой: а) влияние геометрических размеров детурбулизирующей сетки; б) влияние скорости набегающего потока:
1 — К = 5,5 м/с; 2 - 7.5 м/с; .? - 12,7 м/с
в(Г)
е(Г + С) _ 1 + 3[е(С)/е(Г)]2
1 + К
(1)
Здесь К = 2&p/pU^ — коэффициент гидравлического сопротивления
сетки, е (С) — интенсивность собственной турбулентности, порождаемой сеткой в бестурбулентном потоке.
Анализ показал, что соотношение (1) можно использовать и для сочетания хонейкомб — сетка, если в качестве турбулентности набегающего потока вместо в (Г) принять уровень турбулентности, регистрируемый в измерительном сечении за генератором турбулентности и хонейкомбом, к (Г + Х). В этих условиях соотношение (1) примет вид:
Здесь величина собственной турбулентности сетки 8 (С) может быть рассчитана по формуле [9]:
где 5= 1-(1 -Ь/М)2 — коэффициент заполнения сетки, М и Ь — соответственно размер ячейки и диаметр прутка сетки, Хс~х-Ах — расстояние от сетки до измерительного сечения ИС (см. рис. 1).
Результаты оценки величины в(Г + Х + С) по формулам (2), (3) для всех четырех исследованных детурбулизирующих сеток приведены на рис. 4, а (см. пунктирные линии в окрестности значений Ах = = 50 мм). Расчеты проводились при е(Г + Х)= 1,64%; Ах =50 мм (хс = 250 мм), при этом использовались значения геометрических параметров сеток, приведенные в таблице. Видно, что рассчитанные и опытные значения е(Г + Х + С) хорошо согласуются между собой.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, код проекта 96-01-01257.
1. Dryden Н. L., Schubauer G. В. The use of damping screens for the reduction of wind-tunnel tuibulence//J. Aeron. Sci.— 1947. Vol. 14, N 4.
2. Groth J., Johansson A. V. Turbulence reduction by screens//.!. Fluid Mech.—1988. Vol. 197.
3. Дербунович Г. И., Земская А. С.. Репик Е. У., Сосед-ко Ю. П. Оптимальные условия детурбулизации потока с помощью набора сеток//Изв. АН СССР, МЖГ.- 1993.' № 1.
4. Loehrke R. I., Nagib Н. М. Experiments on management of free-stream turbulence//AGARD Rep.— 1972, N 598.
5. Loehrke R. I., Nagib H. M. Control of free-stream turbulence by meaas of honeycombs: a balance between suppression and generation//Trans. ASME, J. Fluid Engng.- 1976. Vol. 98, N 3.
6. Tan-Atichat J., Nagib H. М., Loehrke R. I. Interaction of free-stream turbulence with screens and grids: a balance between turbulence scales//J. Fluid Mech.— 1982. Vol. 114.
(2)
(3)
ЛИТЕРАТУРА
7. Scheiman J., Brooks J. D. Comparison of experimental and theoretical turbulence reduction from screens, honeycombs and honeycomb-screen combinations//!. Aircraft.— 1981. Vol. 18, N 8.
8. Михайлова H. П., Репик E. У., Со сед ко Ю. П. Оптимальные условия управления интенсивностью турбулентности потока с помощью хонейкомбов//Изв. РАН, МЖГ.— 1994, № 3.
9. Дербунович Г. И., Земская А. С., Репик Е. У., Сосед ко Ю. П. Использование сеток для упра&тения структурой турбулентного потока в аэродинамических трубах//Ученые записки ЦАГИ.— 1982. Т. XIII, № 1.
Рукопись поступила 3/XI 1996 г.
