Сравнение двух методов экспериментального исследования состояния пограничного слоя на аэродинамических профилях Текст научной статьи по специальности «Физика»

СРАВНЕНИЕ ДВУХ МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОФИЛЯХ

© Брутян М.А.* *, Потапчик А.В.*

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского, г. Жуковский

Предложен новый метод оптических исследований обтекания моделей крыловых профилей при околозвуковых скоростях, основанный на эффекте влияния состояния пограничного слоя на характер рассеяния параллельного пучка света, проходящего через него. На конкретном примере околозвукового обтекания аэродинамического профиля при определении положения ламинарно-турбулентного перехода дано сравнение нового оптического и стандартного метода каолинового покрытия.

Ключевые слова: бесконтактные методы исследования, пограничный слой, ламинарно-турбулентный переход, аэродинамический эксперимент.

Оптическое явление рефракции (отклонения) световых лучей в средах с переменной плотностью, а, следовательно, и с переменным коэффициентом преломления хорошо известно. Такой средой, в частности, является воздух, обтекающий различные тела с образованием на поверхности пограничного слоя, ламинарного и / или турбулентного [1-4].

Предлагаемый метод оптических исследований характера обтекания аэродинамических профилей основан на эффекте рефракции света в пограничном слое. На рис. 1а, для наглядности, схематично показан ход световых лучей у поверхности модели крылового профиля, расположенной между оптическими окнами аэродинамической трубы (АДТ). Теневая картина фиксируется в плоскости фокусировки с помощью стандартного прибора Теплера.

Под действием поперечных градиентов плотности параллельные световые лучи «выталкиваются» из области пограничного слоя и рассеиваются. Основная проблема качественной регистрации явления рефракции света в области пограничного слоя, с чем впервые столкнулся автор работы [5], заключается в том, что наблюдаемая при этом картина недостаточно контрастна, поскольку эффект рефракции лучей трудно различим на фоне основного светового потока, проходящего над областью пограничного слоя (см. рис. 1а).

* Главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук, профессор.

* Ведущий инженер.

Технические науки

105

Рис. 1. Схема рефракции световых лучей: а - традиционный метод; б - новый метод:

1 - поверхность профиля; 2 - оптические окна;

3 - плоскость фокусировки теневого прибора; 4 - шторка

Для более отчетливого проявления картины рефракции света в пограничном слое авторами предлагается достаточно простой, но весьма эффективный прием - ограничить ширину светового потока у поверхности модели до размера зоны рефракции световых лучей. Очевидно, что ширина этой зоны по величине сравнима с характерной толщиной пограничного слоя на поверхности модели. В экспериментах характерная толщина принималась равной толщине пограничного слоя на расстоянии, приблизительно равном

0.5 хорды от передней кромки исследуемого профиля при соответствующем числе Рейнольдса.

Предлагаемая новая схема наблюдения картины рефракции света в пограничном слое представлена на рис. 1б и отличается от традиционной схемы (рис. 1а) установкой дополнительной шторки (4), ограничивающей ширину светового пучка вблизи поверхности модели профиля. Этот прием по-

106

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

зволяет исключить влияние основного светового потока, распространяющегося над областью пограничного слоя, на картину рефракции лучей. В экспериментах ограничение ширины светового пучка осуществлялось с помощью шторки, выполненной по форме верхней поверхности исследуемого профиля. Для этой цели использовался стандартный шаблон испытываемой модели.

Экспериментальные исследования рассеивания света в пограничном слое проводились в трансзвуковой АДТ эжекторного типа Т-112 ЦАГИ с поперечными размерами рабочей части 0.6 м х 0.6 м и диапазоном возможного изменения числа Маха М* от 0.6 до 1.25. Верхняя и нижняя стенки рабочей части АДТ перфорированы, а боковые не перфорированные стенки имеют специальные прозрачные оптические (Schlieren quality) окна диаметром 265 мм. Исследования проводились на моделях аэродинамических профилей различных типов с относительными толщинами 9 %, 12 % и 15 % в диапазоне углов атаки а от 0° до 6° при числах М* = 0.6-0.8. При хорде моделей 200 мм значение числа Рейнольдса изменялось в диапазоне Re = (2.4-3.0)-106. Испытываемые крыловые профили закреплялись между оптическими окнами рабочей части АДТ на специальной подвеске, связанной с аэродинамическими весами и механизмом непрерывного изменения угла атаки [6].

На рис. 2 дано сравнение фотографий картины рассеивания света в пограничном слое при числе М* = 0.6 и угле атаки а = 0° на верхней поверхности обтекаемой модели профиля, полученные традиционным прямотеневым (а) и новым (б) способами.

а)

б)

Рис. 2. Рассеяние света в пограничном слое: а - традиционный подход; б - новый метод:

1 - ламинарный пограничный слой; 2 - турбулентный пограничный слой; 3 - область перемежаемости.

Технические науки

107

На приведенных фотографиях ясно видно, что при использовании традиционного прямотеневого метода, в силу указанной выше причины, не удается получить отчетливую картину рассеяния света (см. рис. 2а).

Новый метод позволяет получить контрастное изображение рассеяния света, по которому можно судить о состоянии пограничного слоя. На рис. 2б рефракционное рассеяние светового пучка наблюдается на значительной части верхней поверхности профиля, где течение имеет ламинарный характер (1). В хвостовой (диффузорной) части верхней поверхности модели профиля, где имеет место безотрывное турбулентное течение (2), рассеяние светового пучка практически не наблюдается. Между областями ламинарного и турбулентного течения расположена зона постепенного ослабления рассеяния света (3), которая соответствует области перехода от ламинарного характера течения к турбулентному (область перемежаемости пограничного слоя).

Рис. 3. Положение перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный: ГУ! - область перехода пограничного слоя, определённая новым методом; x - положение перехода пограничного слоя, определённое стандартным методом каолинового покрытия

Ламинарное состояние пограничного слоя в областях, где наблюдалось рефракционное рассеяние света, было подтверждено исследованиями с помощью стандартного метода каолинового покрытия. Для этой цели на верхнюю поверхность профиля наносился слой каолина толщиной около 0.1мм. Состояние пограничного слоя определялось одновременно методом каолинового покрытия и предлагаемым новым оптическим методом при различных углах атаки и скорости набегающего потока. Проведенные сравнитель-

108

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ные эксперименты показали, что результаты, полученные двумя исследованными методами, вполне удовлетворительно коррелируют между собой. Положение ламинарно-турбулентного перехода пограничного слоя хп, определенное методом каолинового покрытия в зависимости от числа Мм и угла атаки а, находится в пределах от начала до середины области перехода, наблюдаемого по картине рассеяния света (рис. 3).

Проведенные новым бесконтактным способом многочисленные исследования рефракции света на моделях профилей различных типов показали, что эффект рефракционного рассеяния светового пучка в пограничном слое отчетливо наблюдается при ламинарном состоянии пограничного слоя и практически не наблюдается при турбулентном состоянии. В связи с тем, что величина рефракции световых лучей прямо пропорциональна величине поперечного градиента плотности, на основании оптической картины рассеяния света в пограничном слое можно сделать вывод о том, что в ламинарном пограничном слое значения поперечных градиентов плотности существенно больше, чем в турбулентном пограничном слое.

Известно, что давление поперек пограничного слоя практически постоянно, следовательно, градиент плотности воздуха в пограничном слое определяется градиентом температуры. При турбулентном характере течения, вследствие интенсивного перемешивания слоев, температура поперек пограничного слоя выравнивается, следовательно, градиенты плотности становятся незначительными и не создают заметного рефракционного рассеяния светового пучка. При ламинарном (слоистом) характере течения подобного перемешивания практически не наблюдается. Из проведенных экспериментов следует, что при ламинарном течении отсутствие перемешивания приводит к таким значениям градиентов плотности, которые при использовании предлагаемого метода позволяют отчетливо наблюдать картину рассеяния света и, тем самым, «визуализировать» характер течения в пограничном слое.

Список литературы:

1. Брутян М.А. Влияние вязкости на аэродинамические характеристики профиля при докритических скоростях // Труды ЦАГИ. - 1976. - Вып. 1752. -С. 1-17.

2. Брутян М.А. Влияние вязкости на аэродинамические характеристики профиля, обтекаемого несжимаемой жидкостью при больших числах Рейнольдса // Труды ЦАГИ. - 1974. - Вып. 1555. - С. 1-17.

3. Брутян М.А., Савицкий В.И. Влияние вязкости на безотрывное околозвуковое обтекание профиля // Ученые записки ЦАГИ. - 1977. - Т. VIII, № 5. - С. 24-29.

4. Брутян М.А., Серебрийский Я.М. Приближенный метод расчета подъемной силы и продольного момента профиля с учетом вязкости при малых скоростях // Ученые записки ЦАГИ. - 1976. - Т. VII, № 1. - С. 33-39.

Технические науки

109

5. Pearcey Н.Н. Indication of boundary-layer transition on aerofoils in the

N.P.L. 20 in. by 8 in. highspeed tunnel // A.R.C. C.P., 10, 1950.

6. Потапчик А.В. Экспериментальное исследование поля течения вблизи профиля при околозвуковых скоростях // Труды ЦАГИ. - 1979. -Вып. 2010. - С. 22-35.

СООТНОШЕНИЕ ТЕОРИИ БЫСТРЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ И МОДУЛЬНЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

© Костин Н.С.*

Омский государственный технический университет, г. Омск

В работе рассматриваются принципы технической реализации модульных нейронных сетей, а также способы их представления. Выделены основные этапы развития модульных нейронных сетей, как направления. В заключении рассматривается соотношение теории быстрых спектральных преобразований и модульных нейронных сетей.

Ключевые слова: модульные нейронные сети, перестраиваемые преобразования, матрицы Гуда.

Введение

В нейрофизиологии ведутся активные исследования по структурной организации мозга. Накопилось ряд экспериментальных фактов представляющих значительный интерес для технических приложений. В 80-х годах нейрофизиологи пришли к выводу, что основным организующим принципом мозга является модульное строение и распределенная обработка информации [1]. Наиболее выраженная модульная организация обнаружена в новой коре головного мозга, которая главным образом ответственна за мышление, речь и другие формы высшей нервной деятельности.

Модульные нейронные сети

Принципы технической реализации модульных нейронных сетей обсуждались рядом авторов в середине 80-х годов [2]. Принцип модульности в предложенных сетях [3] был основан на аналогии с коллективом экспертов.

K

Выходной вектор модульной сети может быть представлен как Y = Z SiYi,

i=1

* Аспирант 3-го года обучения кафедры Информатики и вычислительной техники. Научный руководитель: Потапов В.И., профессор кафедры Информатики и вычислительной техники, доктор технических наук.