Влияние отсоса на развитие возмущении в течении с отрывом пограничного слоя

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XVII

19 86

№ 4

УДК 532.526.5

ВЛИЯНИЕ ОТСОСА НА РАЗВИТИЕ ВОЗМУЩЕНИИ В ТЕЧЕНИИ С ОТРЫВОМ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

А. В. Довгаль, В. В. Козлов, В. А. Щербаков

Исследовано влияние отсоса на развитие возмущений в течении с отрывом ламинарного потока от поверхности крылового профиля. Показано, что отсасывание вызывает перемещение зоны отрыва вниз по потоку эффективно подавляет нарастание возмущений, затягивая переход к турбулентности. Получены количественные характеристики влияния отсоса на развитие возмущений малой амплитуды в зоне отрыва, искусственно возбужденных выше по потоку в пограничном слое.

Отрыв ламинарного пограничного слоя вследствие неустойчивости оторвавшегося течения сопровождается, как правило, переходом к турбулентности. В результате, если пограничный слой в области положительного градиента давления сохраняется ламинарным до точки отрыва, область перехода локализуется в отрывном течении. Такая ситуация распространена, например, при обтекании аэродинамических профилей. Согласно результатам летных испытаний [1], переход к турбулентности на крыльях многих типов самолетов происходит в области возрастания давления в задней части профиля крыла, что связано с неустойчивостью течения и отрывом ламинарного пограничного слоя на этом участке.

Известно, что течения с отрывом ламинарного пограничного слоя чувствительны к отсасыванию, незначительная величина которого способна привести к устранению отрыва [2 и 3]. В работах, посвященных управлению отрывом потока [3], было показано, что его можно предотвратить, располагая отверстия или щели для отсасывания выше по течению от точки отрыва или области перехода. Результаты этих работ позволяют ожидать эффективное воздействие отсасывания на переход к турбулентности и в том случае, когда он происходит в зоне отрыва пограничного слоя.

Целью данной работы явилось экспериментальное исследование влияния отсасывания на переход к турбулентности, локализованный в области отрыва пограничного слоя от гладкой поверхности.

Экспериментальная модель представляла собой профиль ЫАСА 63 (420)-517 с хордой 1=0,5 м. Модель устанавливалась в рабочей части малотурбулентной аэродинамической трубы (рис. 1). Координата х отсчитывается от передней кромки вдоль

// ////////// Л

У 5

I—модель, 2—стенки рабочей части, 3— цель для отсасывания, 4—датчик термоанемометра, 5—вибрирующая лента

Рис. 1. Схема эксперимента

7 2

'/?/////////У//

вектора скорости набегающего потока; у — в перпендикулярном направлении. Отсасывание проводилось через щель длиной 137, шириной 0,27 мм, расположенную вдоль образующей на поверхности модели в сечении x—x/L = 0,65. Модель устанавливалась последовательно под углом атаки а=—11°, —1,5°, +5°,5.

Скорость набегающего потока Uбыла равной 6,1 м/с. При этом ламинарный пограничный слой отрывался под действием положительного градиента давления; у поверхности модели формировалась локальная зона отрыва переходного типа — между точками ламинарного отрыва и повторного присоединения турбулизовавшегося течения. Изменение угла атаки позволяло получать различное взаимное расположение области отрыва и щели для отсасывания: при возрастании угла атаки точка отрыва перемещалась вверх по потоку.

Распределение статического давления по поверхности модели измерялось с помощью дренажных отверстий и трубки статического давления. Средняя и пульсацион-ная составляющие скорости течения в пограничном слое измерялись однониточным датчиком термоанемометра типа DISA 55D01. Для обработки сигнала датчика использовалась аппаратура, входящая в комплекс DISA 55D00, частотный анализатор FAT-1 Rohde und Schwarz, двухлучевой осциллограф и самописец марки Endim.

В первой части работы исследовалось влияние отсасывания на переход к турбулентности в «естественных» условиях, без искусственного возбуждения колебаний пограничного слоя. Во второй — влияние отсасывания на развитие двумерных волн неустойчивости, которые возбуждались вибрирующей лентой, расположенной в пограничном слое выше по потоку от точки отрыва.

Первоначально были проведены исследования для выбора взаимного расположения щели отсоса и области отрыва, при котором отсасывание влияло на переход. Положение области отрыва определялось по распределению статического давления на поверхности модели и форме профилей средней скорости в пограничном слое, измеренных с помощью термоанемометра. Рассматривались три случая. В первом (угол атаки а=+5°,5)—щель отсоса располагалась между началом перехода и точкой повторного присоединения турбулентного течения (рис. 2,а). За начало перехода принималось сечение, где на осциллограммах пульсаций появлялись первые турбулентные всплески. Отсасывание при таком положении области отрыва проводилось на поздней стадии перехода к турбулентности. Во втором случае (а=—1°,5)—течение отсасывалось между точкой отрыва и началом перехода, на начальном этапе перехода к турбулентности— в области усиления малых возмущений (рис. 2,6). В третьем случае (а=—11°) точка отрыва находилась ниже по потоку от щели (рис. 2, в). Интенсивность отсасывания была одинаковой и определялась числом Рейнольдса

Re = — 100 (t — ширина щели, U( — средняя скорость отсасываемого воз-

Измерения средних и пульсационных характеристик течения показали, что в случае «а» отсасывание не сказывалось на положении зоны отрыва и процессе перехода. Когда же отсасывание проводилось в районе точки отрыва (случаи «б» и «в») в структуре течения происходили существенные изменения. Большой интерес представляет случай «б», так как в случае «в» точка отрыва находится в хвостовой части про-

V

духа).

с,

•р

Рис. 2. Взаимное расположение щели и зоны отрыва «О» — место отсасывания, «П» — положение начала перехода

1 - Ре, = О 9 — Ре. = 100

Рис. 3. Перестройка структуры течения при отсасывании

Рис. 4. Профили средней скорости

филя и при малом уровне возмущений переход к турбулентности на модели произойти не успевает. _

Без отсасывания отрыв пограничного слоя происходил при х «0,60 и сопровождался повторным присоединением турбулентного течения вблизи х я* 0,90. Соответствующее распределение давления на поверхности модели приведено на рис. 3. Процесс перехода к турбулентности в области отрыва переходного типа на крыловом профиле исследовался в работе [4], где было показано, что турбулизация течения в малотурбулентном потоке вызывается нарастанием малых возмущений типа волн Толлми-на—Шлихтинга в зоне циркуляции. Нарастание амплитуды пульсаций в области перехода, определенное по максимуму интенсивности возмущений, приведено для данного случая на рис. 3. Положение начала перехода совпадает с участком быстрого нарастания амплитуды пульсаций. На графике распределения давления в этом месте начинается характерное для переходной области в зоне отрыва возрастание статического давления. Завершение перехода и турбулентное присоединение происходит в области, где амплитуда возмущений, достигнув максимума, начинает уменьшаться.

При отсасывании с интенсивностью Не(=100 зона отрыва и переход к турбулентности смещаются вниз по потоку (см. рис. 3). Скачок давления в окрестности щели вызван отсасыванием [5]. Перемещение зоны отрыва в результате отсасывания иллюстрируется перераспределением средней скорости (рис. 4). Без отсасывания раньше формируются профиль скорости с перегибом, свойственный для течения в зоне отрыва, и профиль присоединенного турбулентного пограничного слоя.

В спектральном представлении затягивание перехода показано на рис. 5, где представлены спектры пульсаций скорости, измеренные вблизи максимума амплитуды колебаний как с отсосом, так и без него. Отсасывание приводит к более позднему образованию пакета нарастающих вихревых возмущений и спектра пульсаций турбулентного течения. Обращает на себя внимание смещение центральной частоты пакета волн неустойчивости под влиянием отсасывания с 125 до 80 Гц, которое вызвано перестройкой среднего течения и соответствующими изменениями характеристик его устойчивости.

При увеличении интенсивности отсасывания область отрыва и начало перехода к турбулентности смещаются к задней кромке модели (рис. 6).

Исследование воздействия отсасывания на развитие искусственно возбужденных возмущений малой амплитуды проводилось в условиях, соответствующих случаю «б» на рис, 2. Двумерные вихревые колебания генерировались в пограничном слое вибрирующей лентой, расположенной на расстоянии л:=0,16 от передней кромки модели. В спектральной полосе 4 Гц изучались амплитудно-фазовые характеристики волны с частотой 125 Гц, близкой к центральной частоте колебаний в пакете волн неустойчивости (см. рис. 5) с наибольшей скоростью пространственного усиления.

Профили продольной компоненты пульсаций с отсасыванием (при Кв(=100) и в его отсутствии показаны на рис. 7. Амплитуды возмущений отнесены к максимальной величине в каждом из сечений. Профили амплитуды возмущений без отсоса в области отрыва имеют вид, свойственный монохроматическим двумерным вихревым колебаниям малой амплитуды, развивающимся в локальных отрывных течениях [6]. Отсасывание, перемещая точку отрыва вниз по потоку, приводит к тому, что течение остается присоединенным; распределение амплитуды возмущения в этом случае типично для волны Толлмина — Шлихтинга пограничного слоя. Фазовая скорость распространения колебаний малой амплитуды на участке х—0,56-*- 0,74 с отсасыванием и без него сохранялась постоянной, равной 0,46 от скорости набегающего потока. Отсасывание приводит к подавлению нарастания колебаний, что отражено на рис. 8.

а-Ие, = 0, <5-Не, = 100

Рис. 5. Спектры пульсаций скорости в области перехода

0,6

0,1

0,8 х

t- Re< = 0, 2 — Rc^ s= 100, Uq/Uco=5x10~3%.

Рис. 8. Пространственное нарастание колебаний

Кривые нарастания возмущений построены по максимальным значениям амплитуды. Отсасывание влияет на течение выше по потоку от щели на незначительном расстоянии, за щелью рост интенсивности колебаний значительно уменьшается. Уменьшение инкрементов колебаний согласуется с перестройкой течения в пограничном слое — более наполненным становятся профили средней скорости. В работе [7] было установлено, что отсасывание подавляет нарастание возмущений, вызывающих турбули-зацию пограничного слоя, в том случае, если оно проводится на начальном этапе перехода, где амплитуды колебаний малы. В рассматриваемом случае отсасывание в отрывном течении вблизи точки отрыва осуществлялось на этапе усиления малых возмущений. В этом отношении результаты данных экспериментов совпадают с выводами работы [7] для плоской пластины.

Настоящее исследование продемонстрировало эффективность отсасывания течения в окрестности точки отрыва для затягивания перехода к турбулентности, происходящем в зоне отрыва ламинарного пограничного слоя. Более позднее наступление перехода при отсасывании является следствием стабилизации течения и перемещения области отрыва, неустойчивость течения в которой вызывает усиление возмущений пограничного слоя вниз по потоку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Holmes В. J., Obara С. J. Observations and implications of natural laminar flow on practical airplane surfaces. — В сб.: 13 Congress of ICA'S & AIAA aircraft systems and technology, conference. — Seattle, Washington, Aug. 22—27, 1982.

2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Наука, 1969.

3. Чжен П. Управление отрывом потока. — М.: Мир, 1979.

4. Д о в г а л ь А. В., 3 а н и н Б. Ю. Влияние турбулентности набегающего потока на развитие возмущений в течении с отрывом пограничного слоя. — В кн.: Неустойчивость до- и сверхзвуковых течений. — Новосибирск, 1982.

5. Козлов В. В., Л е в ч е н к о В. Я, Максимов В. П., Рудницкий А. Л., Щербаков В. А. Исследование течения вязкой жид- ,

кости в окрестности щели при отсосе. — Ученые записки ЦАГИ, 1977,

т. VIII, № 1.

6. Довгаль А. В., Козлов В. В. Устойчивость отрывного течения в двугранном угле. — Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1984, № 4, вып. 1,

7. Козлов В. В., JI е в ч е н к о В. Я-, Щ е р б а к о в В. А. Развитие возмущений в пограничном слое при щелевом отсасывании. — Ученые

записки ЦАГИ, 1978, т. IX, № 2.

7—1048

Рукопись поступила 15/1V 1985 г.