CC BY
31
Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 2615-2616
2615
УДК 532.526.3
СТАБИЛИЗАЦИЯ ГИПЕРЗВУКОВОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ С ПОМОЩЬЮ ПАССИВНЫХ ПОРИСТЫХ ПОКРЫТИЙ
© 2011 г. А.Н. Шиплюк, С.В. Лукашевич
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск
shiplyuk@itam.nsc.ru
Поступила в редакцию 24.08.2011
Представлены результаты экспериментального исследования влияния толщины пассивного пористого покрытия на развитие естественных возмущений в гиперзвуковом пограничном слое на модели острого конуса при числе Маха М„ = 6 и нулевом угле атаки. Показано, что существует оптимальная толщина пассивного пористого покрытия, соответствующая максимальной стабилизации возмущений второй моды.
Ключевые слова: гиперзвуковой пограничный слой, пассивное пористое покрытие, возмущения второй моды, устойчивость.
Введение
Как известно, возмущения второй моды относятся к семейству захваченных акустических волн, распространяющихся в волноводе (пограничном слое), и при гиперзвуковом обтекании тела являются наиболее неустойчивыми. Расчеты по линейной теории устойчивости [1] показали, что пассивное пористое покрытие частично поглощает энергию возмущений второй моды, что способствует задержке ламинарно-турбулентного перехода. Экспериментальные исследования [1-5] показали хорошее количественное соответствие с расчетными данными и подтвердили концепцию применения пассивного пористого покрытия для стабилизации гиперзвукового пограничного слоя. Из расчетов следует сильная зависимость эффекта стабилизации от толщины пористого покрытия [1].
В настоящей работе экспериментально исследовалось влияние толщины пассивного пористого покрытия на развитие возмущений второй моды.
Условия эксперимента
Эксперименты проведены в аэродинамической трубе кратковременного действия Транзит-М ИТПМ СО РАН. Число Маха набегающего потока составляло М = 6, число Рейнольдса Яе1м = = (2.6, 4.6, 6.6)106 м-1, температура торможения Т0 = 360+5 К, температура поверхности модели Тк = 295+1 К, угол атаки а = 0°+2'.
Экспериментальная модель выполнена в виде острого конуса с полууглом раскрытия 7° и длиной Ь = 0.42 м. На расстоянии 0.355 м от носика
располагалась вставка протяженностью I = 30 мм с пористыми участками различной толщины. Для экспериментального определения степеней нарастания естественных возмущений измерялись пульсации давления на поверхности модели в двух точках: до и после вставки при помощи высокочастотных датчиков давления 132А31 производства РСВ (США). Пористая поверхность состояла из плетеной сетки, изготовленной из металлической проволоки диаметром й = 0.05 мм, ширина отверстия сетки м = 0.1 мм, пористость S = 44%. Для образования пористого покрытия различной толщины сетки накладывались друг на друга, каждый новый слой повернут на угол 45° относительно предыдущего. Таким образом, получены пористые покрытия толщиной И = 0.11,
0.18, 0.27, 0.36, 0.43 мм.
Результаты
Получены спектры пульсации давления на поверхности конуса в двух точках х1 и х2 для различных толщин пористого покрытия и трех чисел Рейнольдса. По измеренным спектрам вычислены степени роста.
На рис. 1 показаны зависимости степени роста от толщины пористого покрытия для частот, соответствующих максимальной амплитуде возмущений второй моды, где И * = И/5* - безразмерная толщина пористого покрытия, нормированная на рассчетную толщину вытеснения пограничного слоя 5*. Нулевая толщина соответствует сплошной поверхности. Видно, что минимум степеней роста достигается при толщинах пористого покрытия
h * = 0.07-0.08 для Яе1м = (2.6 и 4.6) -106 м-1, h * = 0.09-0.14 для Яе1м = 6.6 106 м-1. Значение Яе1м = 6.6 • 106 м-1 соответствует началу ламинарно-турбулентного перехода, однако эффективность стабилизации второй моды пористым покрытием сохраняется.
-а,
0.002
-0.002
-0.004
\ -■—Re=2 -•-Re = 4. -*-Re = 6. 6106 м-1, 6106 м-1, f 6106 м-1, f " = 115 кГц "= 150 кГц =180кГц
* .
4A ; ▲
0 0.05 0.10 0.15 0.20 И *
Рис. 1
При дальнейшем увеличении толщины пористого покрытия значения степени роста немного увеличиваются и практически не зависят от тол-
щины пористости. Таким образом, можно гово -рить о существовании оптимальной толщины пористого покрытия, при которой происходит максимально эффективная стабилизация второй моды возмущений.
Список литературы
1. Fedorov A.V, Malmuth N.D., Rasheed A., Hor-nung H.G. Stabilization of hypersonic boundary layers by porous coatings // AIAA Journal. 2001. Vol. 39, No 4. P. 605-610.
2. Fedorov A.V et al. Stabilization of a hypersonic boundary layer using and ultrasonically absorptive coating // Journal of Fluid Mechanics. Vol. 479. 2003. P. 99-124.
3. Fedorov A.V et al. Stability of hypersonic boundary layer on porous wall with regular microstructure // AIAA. 2003. P. 2003-4147.
4. Maslov A.A. et al. Hypersonic laminar flow control using a porous coating of random microstructure. AIAA. 2006. P. 2006-1112.
5. Бунтин Д.А., Лукашевич С.В., Маслов А.А., Шиплюк А.Н. Влияние затупления носовой части конуса и ультразвук-поглощающего покрытия на переход в гиперзвуковом пограничном слое // Изв. РАН. МЖГ 2010. № 6. С. 74-81.
0
STABILIZATION OF A HYPERSONIC BOUNDARY LAYER USING PASSIVE POROUS COATINGS
A.N. Shiplyuk, S. V. Lukashevich
Experimental results of investigating the effect of the thickness of a passive porous coating on the development of natural disturbances in a hypersonic boundary layer, using the model of a sharp cone for the zero angle of attack and Mach number of M = 6, are presented. An optimal thickness of the porous coating providing the maximum stabilization effect of second mode disturbances is shown to exist.
Keywords: hypersonic boundary layer, passive porous coating, second mode disturbances, stability.
