CC BY
196
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И Том IV 1973
№ 5
УДК 533.6.011.55. 533.6.071.082.5 532.526.5.011.7
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ОБТЕКАНИЯ МОДЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ „ЛАЗЕРНОГО НОЖА“
В. Я■ Боровой, В. В. Иванов, А. А. Орлов, В. Н. Харченко
Приведено описание установки и результаты экспериментов по визуализации пространственного обтекания моделей различной формы в аэродинамической трубе при числе = 5. С помощью оптической системы формируется плоский световой поток (лазерный нож), который можно устанавливать в любом сечении около модели. По интенсивности света, рассеянного на имеющихся в потоке частицах сажи, определяется форма ударных волн и областей отрыва.
Визуализация обтекания моделей помогает выяснить структуру течения, а иногда построить схему его расчета. Для визуализации течения газа у поверхности тела применяются методы шелковинок, масляных пленок [1] и размываемых точек (см., например, работу [2]). Эти и другие аналогичные методы позволяют обнаружить области отрыва и определить их границы на поверхности тела. Термоиндикаторные краски также позволяют визуализировать течение газа у поверхности тела [2]. Прямотеневой метод, метод Теп-лера и интерференционный метод исследования позволяют видеть структуру возмущенного течения газа как у поверхности тела, так и вдали от нее. Для применения этих методов при малых (дозвуковых) скоростях приходится к основному газу подмешивать инородный газ [3, 4] или производить локальный подогрев газа [5]. При сверхзвуковых скоростях эти методы позволяют наблюдать ударные волны. Часто удается увидеть также отрыв и другие особенности течения. Теневые методы весьма эффективны при исследованиях плоских и осесимметричных течений и получили широкое распространение.
Однако при трехмерном обтекании тел теневые методы позволяют наблюдать структуру течения лишь в одном продольном сечении, да и то при сравнительно простой форме тела. Дополнительную информацию можно получить, поворачивая модель относи-
тельно оси аэродинамической трубы. Для визуализации конических пространственных течений успешно используется теневой прибор, источник света которого помещается в вершине конического течения („конический" теневой прибор [6]).
Для визуализации произвольных пространственных течений используется метод парового экрана [1, 7]. Поток газа делается видимым при подмешивании к нему воды или вследствие охлаждения газа ниже температуры его конденсации при расширении. Этим методом были проведены интересные наблюдения пространственных течений газа, например над верхней поверхностью треугольного крыла [8, 9]. Однако конденсация газа или паров воды может сопровождаться образованием скачков конденсации и искажением температурного поля. Кроме того, визуализация течения происходит при параметрах потока (числах Рейнольдса, температурном факторе), существенно отличающихся от тех, при которых обычно ведутся остальные исследования (измерения теплообмена, распределения давления, аэродинамических сил). Для визуализации течений газа низкой плотности успешно применяется электронный луч [10, 11].
В описываемой здесь работе для визуализации потока использовалось рассеяние света запыленным воздухом.
Запыленность воздуха может быть как естественной, так и искусственно созданной при помощи пыли, вводимой в форкамеру аэродинамической трубы. В качестве источника света целесообразно применять лазер. Это позволяет существенно увеличить световую мощность и упростить оптическую схему прибора.
1. Эксперимент проводился в сверхзвуковой аэродинамической трубе при числе Моо = 5, давлении торможения /?0 = 8-Ю5Па и температуре торможения Т0 = 500К. Рабочая часть трубы выполнена в виде камеры Эйфеля диаметром 0,8 м, внутри которой находилась струя газа диаметром 280 мм. Поток в трубе подогревался керосиновым подогревателем, поэтому в газе имелось некоторое количество сажи. Оценки показали, что частицы сажи были размером 0,5— 1 мкм, а их концентрация составляла ~ 10® см-3. В соответствии с такими характеристиками запыленности потока была оценена возможность использования лазера в качестве источника света.
В опытах использовались два источника света: в основном газовый Не — Ne-лазвр ЛГ-75 непрерывного излучения в красной
о
области спектра (А — 6328 А) мощностью 25 мвт, в некоторых случаях—газовый лазер импульсного действия типа ЛГИ-37, генерирующий несколько длин волн, с наибольшей энергией в зеленой области спектра. Наибольшая мощность излучения в импульсе — — 2 кВт, продолжительность импульса — 0,3 мкс. В опытах импульсный лазер излучал серию импульсов с частотой 100 — 700 Гц.
На фиг. 1 приведена схема „лазерного ножа“. Свет из лазера 1 проходит через оптическую систему 2, предназначенную для формирования плоского светового ножа 5. Эта система представляет собой комбинацию короткофокусной цилиндрической и длиннофокусной сферической линз. Вследствие некоторой расходимости луча света толщина лазерного ножа менялась по длине, в среднем же она составляла 2 мм. Сканирование ножа осуществлялось поворотной призмой полного внутреннего отражения 3, закрепленной на оптическом столе. Линза могла перемещаться в горизонтальном
направлении и устанавливаться под различными углами, это позволяло устанавливать лазерный нож в любом сечении около модели 7. Положение ножа фиксировалось на шкалах 4 оптического стола. Поле течения в плоскости светового ножа фотографировалось через окно в стенке рабочей части камерой АФУ 6 на аэрофотопленку (изопанхром; тип 15-1000). Выдержка при фотографировании составляла 1 —10 с.
Визуализация с помощью предлагаемого метода основана на изменении интенсивности света, рассеянного частицами в различных областях поля течения. В областях повышенной плотности газа количество частиц должно увеличиваться и, соответственно, увеличиваться интенсивность рассеянного ими света. Таким образом, можно определить, например, положение ударных волн. В областях отрыва количество частиц должно уменьшаться, на снимках эти области будут темными. Возможности метода были опробованы в ряде опытов.
2. В работе [2] исследовались течение газа и теплообмен на острых и затупленных полуконусах. Измерения, выполненные с помощью термоиндикаторных покрытий, показали, что на плоской поверхности полуконуса при углах атаки а>0 образуются узкие продольные зоны интенсивного теплообмена. Визуализация течения газа у поверхности полуконуса с помощью размываемой потоком краски указывала на то, что это явление связано с отрывом пограничного слоя у боковых кромок полуконуса и присоединением его вблизи плоскости симметрии. Однако с помощью теневых методов (прямотеневого метода и метода Теплера) не удавалось наблюдать зоны отрыва.
Исследование течения с помощью лазерного ножа полностью подтверждает образование зон отрыва вблизи плоской поверхности полуконуса при а^О как на остром, так и на затупленном полу-конусе. На фиг. 2 приведены снимки, полученные с помощью лазера ЛГ-75 при а =10° на полуконусе с полууглом раствора 6 = 15°. На снимке видна ударная волна 1, индуцированная конической поверхностью модели, и зоны отрыва 2. Газ, сжатый в ударной волне, светится* интенсивней, чем в невозмущенном потоке. Свечение газа за ударной волной уменьшается по мере перемеще-
* Здесь и далее имеется в виду свечение газа вследствие рассеяния света на частицах сажи в отличие от самосвечения газа при высоких температурах.
ния вдоль нее от боковых кромок к плоскости симметрии в соответствии с уменьшением интенсивности волны. В зонах отрыва газ практически не светится, что и позволяет отчетливо наблюдать эти зоны. Отсутствие свечения в зонах отрыва объясняется, по-видимому, двумя причинами: 1) уменьшенным притоком твердых частиц в зону отрыва при трехмерном течении и отсутствием притока при двумерном течении (при двумерном течении зона отрыва замкнута), 2) сепарацией твердых частиц из-за вихревого движения газа в зоне отрыва.
Фиг. 2
Лазерный нож позволяет определить форму ударной волны и зоны отрыва. После обработки фотографий были получены некоторые количественные данные. Ударная волна над плоской поверхностью имеет при а = 0 и 10° коническую форму. Максимальная высота зоны отрыва также изменяется по длине полуконуса по линейному закону, исключая окрестность вершины полуконуса. При а = 0 максимальная высота зоны отрыва у донного среза модели (при л: =120 мм) составляла 5 мм, а при а =10° — 15 мм.
3. Лазерный нож был использован для визуализации течения вблизи треугольного крыла со стреловидностью 70°.
На фиг. 3 приведены снимки, сделанные при угле атаки а=15° в сечении, расположенном на расстоянии 10 мм от задней кромки модели (общая длина модели 150 мм). Был использован лазер ЛГИ-37. Представлен фотомонтаж из двух снимков, полученных в разных пусках. В обоих пусках лазерный нож располагался вертикально над плоской поверхностью модели, которая устанавливалась под углами атаки а= + 15° и —15°, следовательно, плоскость лазерного ножа была наклонена под углом 75° к подветренной поверхности и под углом 105° к наветренной. Кроме того, следует учесть, что модель имела конечную толщину; поперечное сечение модели имело треугольную форму, верхняя поверхность была плоской и боковые кромки острыми. На снимке представлена несколько искаженная картина течения, в частности не совпадают нижняя и верхняя ветви ударной волны у боковых кромок.
По снимку можно четко определить картину обтекания. Видна ударная волна 1 под крылом и над ним. Над крылом отчетливо
видны также две зоны отрыва 2; асимметрия зон отрыва объясняется неточностью установки модели в трубе. На линии симметрии крыла происходит присоединение потока, оторвавшегося у его боковых кромок. Эта линия, как показали проведенные ранее исследования [9, 12], является линией растекания, и на ней происходит локальное увеличение коэффициента теплообмена.
Фиг. 3
На снимке видно значительное усиление свечения газа над зонами отрыва вблизи плоскости симметрии, свидетельствующее об уплотнении газа в этой области. Границы 3 этой области, по-видимому, соответствуют висячим скачкам уплотнения. Видна также ударная волна 4, идущая из сопла. Модель и все возмущения потока, связанные с ее обтеканием, находятся внутри конуса, образованного этой волной.
Сравнивая снимки, приведенные на фиг. 2 и 3, можно сделать вывод о том, что лазер ЛГИ-37 позволяет получить более четкие снимки, чем лазер ЛГ-75. Это объясняется ббльшей световой мощностью первого лазера, а также тем, что используемая фотопленка более чувствительна к зеленой части спектра, чем к красной.
Были проведены опыты по визуализации картины течения при отсутствии частичек сажи: при выключенном керосиновом подогревателе в холодном потоке начиналась конденсация воздуха и
появлялись светорассеивающие частички. На фиг. 4 приведен снимок, полученный на подветренной поверхности при а = 15°. Видно, что качественная картина течения (форма ударных волн и областей отрыва) практически такая же, как и на фиг. 3, однако размеры областей отрыва при конденсации воздуха сильно увеличились.
Фиг. 4
На фиг. 5 приведены результаты обмера фотоснимков с учетом масштаба и угла съемки. Слева приведены результаты обмера снимка, полученного при наличии частичек сажи (см. фиг. 3), а справа — полученного в этих же условиях при конденсации воздуха (обозначения цифрами такие же, как и на фиг. 3). Видно, что при конденсации воздуха размеры областей отрыва увеличились, их форма также несколько изменилась.
4. Третьим примером, иллюстрирующим возможности лазерного ножа, могут служить испытания конуса со струей, вдуваемой в поток. Модель представляла собой острый конус с полууглом при вершине 6 = 5°. Вторичная струя воздуха вдувалась через коническое сопло с расчетным числом М; = 3. Диаметр выходного сечения сопла = б мм.
На фиг. 6 приведены снимки течения, полученные с помощью лазерного ножа (использовался лазер ЛГ-75) при а = —10° и абсолютном давлении вдуваемого воздуха /?0 ^ = 4,25 -105 Па (сопло располагалось на наветренной поверхности). На этой же фигуре
сверху приведен теневой снимок, полученный в тех же ус; ловиях. На снимках, сделанных
■Л -Г И-
Г° ос=?и° г о ч -10° лазерный ' пот
$ у
т * • 101 теневой , СН1/МПК
х
Фиг. 6
Фиг. 7
с помощью лазерного ножа, хорошо видна вторичная струя, так как вдуваемый воздух не запылен и поэтому не светится.
Четко виден слой воздуха, сжатого в ударной волне 1, индуцированной струей, и заключенного между этой волной и границей струи. На снимках видна также ударная волна 2, индуцированная поверхностью конуса. На некотором расстоянии вниз по течению от места вдува струи волны /и2 пересекаются.
Заметим, что прямотеневой метод не позволяет определить границы струи. Метод лазерного ножа может быть применен также для изучения течения в самой струе. Для этого необходимо подмешивать пыль к вдуваемому газу.
На фиг. 7 приведены результаты обмеров ударных волн 1 и 2, а также контура струи при Ро] = 2,8-105Па и различных углах
атаки. Данные о вертикальном отходе волны _У = ;т“> полученные
)
теневым методом и с помощью лазерного ножа, практически совпадают. Другие размеры, приведенные на фиг. 7, были получены только с помощью лазерного ножа (все размеры были отнесены к диаметру выходного сечения сопла). Поперечное сечение струи
имеет неправильную форму. Об этом можно судить по форме ударной волны, индуцированной струей: расстояние от линии симметрии до ударной волны по вертикали у значительно больше, чем по горизонтали г. При а = —10° поперечные сечения струи более вытянуты в вертикальном направлении, чем при а > 0. На некотором расстоянии от сопла верхняя граница струи ус отклоняется к поверхности конуса.
Таким образом, снимки сделанные с помощью лазерного ножа, дополняют результаты, получаемые с помощью других методов визуализации, и позволяют лучше понять картину сложного пространственного обтекания тел.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пэнкхерст Р., Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. М., Изд. иностр. лит., 1955.
2. Боровой В. Я., Давлет-Кильдеев Р. 3., Рыжкова М. В. Особенности теплообмена на поверхности полуконуса, обтекаемого сверхзвуковым потоком газа. В сб. .Аэродинамическое нагревание при гиперзвуковых скоростях потока". Труды ЦАГИ, вып. 1106, 1968.
3. Ерошенко В. М., Ермаков А. Л., Климов А. А., Моту лев и ч В. П., Терентьев Ю. Н. Экспериментальное исследование влияния интенсивного вдува различных газов на турбулентный пограничный слой. „Изв. АН СССР — МЖГ", 1971, № 1.
4. Мятковский Н. О., Орлов А. А., Харченко В. Н. Визуализация течения при вдуве инородного газа методом лазерной интерферометрии. „Ученые записки ЦАГИ“, т. IV, № 1, 1973.
5. Божков В. М., Захарченко В. М., Мозоль-ков А. С., Хонькин А. Д. Метод визуализации дозвуковых течений и его применение к обтеканию профилей. .Ученые записки ЦАГИ", т. III, № 5, 1972.
6. Crabtree L. F., Treadgold D. A. Experiments on hypersonic lifting bodies. ICAS Paper, No 66—24.
7. Алферов В. И., Бертынь В. Р., Земцова Г. В., Подмазов А. В. Методы визуализации вихревых и струйных течений в аэродинамических трубах. В сб. .Физические методы исследований прозрачных неоднородностей". Тезисы докладов общества .Знание". М., 1972.
8. Cross Е. J., Н an key W. L. Investigation of the leeward side of a delta wing at hypersonic speeds AIAA Paper, No 68—675.
9. Whitehead A. H., Hefner J. N., Rao D. M. Lee-surface vorlex effects over configurations in hypersonic flow. AIAA Paper, No 72-77.
10. Woods W. C., Arrington J. P. Electron-beam flow vizu-alization-applications in the definition of configuration aerothermal characteristics. AIAA Paper, No 72—1016.
11. Богдановский Г. А., Малахов Л. H., Липин А. В., Семенов Г. В. Измерение распределения плотности и локальная визуализация течения разреженного газа с помощью электронного пучка. Труды ЦАГИ, вып. 1260, 1971.
12. Боровой В. Я., Давлет-Кильдеев Р. 3., Рыжкова М. В. Экспериментальное исследование теплообмена на крыльях и клине. В сб. „Аэродинамическое нагревание при гиперзвуковых скоростях потока". Труды ЦАГИ, вып. 1175, 1970.
4 Ученые записки ЦАГИ Хе 5
Рукопись поступила 291X11 1972 г.
