Управление состоянием пограничного слоя путем введения искусственных возмущении

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XVII 1986

№ 4

УДК 533.6.071.082:532.526 532.526.3

УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПУТЕМ ВВЕДЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИИ

А. А. Пилипенко, Г. К. Шаповалов

Представлены результаты экспериментального исследования возможности ламинаризации пограничного слоя методом подавления волн Толлмина—Шлихтинга, существующих в пограничном слое и ответственных за переход, искусственно созданными волнами возмущения, вводимыми в пограничный слой в противофазе к волнам Толлмина — Шлихтинга. Показана принципиальная возможность такой ламинаризации. Эксперименты проводились на прямом крыле в малотурбулентной дозвуковой аэродинамической трубе.

Изучение явления перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный является одной из важных задач современной аэродинамики. Она представляет большой интерес с точки зрения изучения фундаментальной физической проблемы — возникновения турбулентности и в связи с практическими потребностями. Известно, например, что для дозвуковых летательных аппаратов сопротивление трения составляет до 80—90%, для сверхзвуковых до 50—60% от общего сопротивления, а так как коэффициент трения при ламинарном течении почти на порядок меньше, чем при турбулентном, очевидна важность проблемы ламинаризации течения для летательных аппаратов.

В прикладном плане ламинаризацию обычно связывают со специально организованным отсосом пограничного слоя при дозвуковых скоростях или с глубоким охлаждением обтекаемой поверхности при сверхзвуковых скоростях. Эти способы достаточно энергоемки и сложны для эксплуатации.

Исследования состояния пограничного слоя связаны с использованием линейной теории гидродинамической устойчивости, созданной работами Орра, Зоммерфельда и Г. И. Петрова и развитой в трудах Толлмина и Шлихтинга. Классическими экспериментами Шубауэра, Скрэмстеда [1] и Г. И. Петрова [2] убедительно доказана корректность теории гидродинамической устойчивости и предложен новый подход к изучению состояния пограничного слоя: использование контролируемых возмущений для диагностики течения в пограничном слое. В дальнейшем метод узкой вибрирующей пластинки, предложенный для возбуждения волн возмущения, использовался в любом тщательно подготовленном опыте по устойчивости течения [1,3, 4].

В настоящее время считается уже общепризнанным [1, 3, 5], что на моделях плоских пластин и при двумерных градиентных течениях переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный осуществляется через развитие и разрушение близких к двумерным синусоидальных неустойчивых волн, называемых обычно волнами Толлмина—Шлихтинга (хотя в некоторых случаях, как отмечается в работе [6], возможен и другой механизм перехода, «субгармонический»). Часть волн — назовем их «доминирующими» — вниз по потоку нарастает по амплитуде особенно быстро. Достигнув некоторого критического значения, волны разрушаются на мелкомасштабные вихри и в пограничном слое осуществляется переход к турбулентной форме течения. Если предположить, что в ламинарном пограничном слое имеется доминирующая

волна <М*, у, 0 = <р (у) е'^* с(\ тогда уравнение Орра — Зоммерфельда, в силу своей линейности, допускает и наличие волны

Ь {х, у, 6 = <е (У) еш е‘а(х~с*К которую можно ввести искусственно в пограничный слой; но тогда

+1 (*> у, 0 + Фз (х, у, 0 = 0.

Таким образом можно получить уменьшение амплитуды наиболее опасного возмущения, произойдет запаздывание развития доминирующей волны неустойчивости, и как результат, смещение линии перехода вниз по потоку.

Из сказанного вытекает общий план осуществления ламинаризации пограничного слоя методом гашения доминирующих волн Толлмина — Шлихтинга: 1) установление факта существования в пограничном слое доминирующих волн Толлмина — Шлихтинга, играющих основную роль в механизме перехода, и определение параметров этих волн (частоты, амплитуды, фазы); 2) разработка методики создания и введения в пограничный слой искусственных волн возмущения; 3) организация их противофазного по сравнению с «естественными» волнами Толлмина — Шлихтинга введения в пограничный слой.

Следует отметить, что аналогичные по идее работы выполнялись и другими исследователями. Но это были либо работы типа [3, 7], когда в пограничный слой в различных его местах вводились с помощью различных активаторов (колеблющиеся ленточки, акустические динамики, вибраторы) две искусственно созданные волны возмущения одинаковой амплитуды и частоты с различными комбинациями фаз, и наблюдалась возникающая при этом картина перехода; либо работы типа [8], когда гасилась «естественная» волна возмущения с помощью искусственно созданных тепловых импульсов; эти работы проводились в гидроканале и перенос такой методики в воздушный поток по-видимому нереален из-за большой инерции тепловых возмущений. Во всех вышеуказанных исследованиях эксперименты выполнялись в диапазоне частот волн Толлмина — Шлихтинга.

Настоящие экспериментальные исследования проводились в дозвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе с размерами рабочей части 1X1 м в сечении и длиной 4 м, с диапазоном скоростей 0-^100 м/с и степенью турбулентности ег»0,02-^ 0,04%. В качестве модели было использовано прямое крыло с хордой 800 мм относительной толщиной 12% и «полочным» распределением давления, чистота обработки поверхности была не хуже 5—6 класса. Крыло крепилось горизонтально, на расстоянии 1,7 м от начала рабочей части в боковых стенках аэродинамической трубы. Все пульсационные характеристики измерялись с помощью термоанемометра, спектральный анализ пульсаций скорости проводился с помощью цифрового спектроанализатора. Координатное устройство, специально выполненное для этого эксперимента, позволяло перемещать датчик термоанемометра вдоль хорды и по размаху крыла таким образом, что чувствительная нить оставалась все время в пограничном слое крыла на одном и том же расстоянии (0,6 мм) от поверхности. При таком расстоянии влиянием стенки на измеряемые пульсационные характеристики можно пренебречь.

На рис. 1 представлены типичные графики среднеквадратичных значений пульсаций напряжения на нити термоанемометра, по которым определяется положение

8 4 3 2 1

Хорда крыла, % Рис. 1

кЛЬ

О 1

3 0 7 г кГц

Рис. 2

линии перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный. На рис. 2 представлена серия спектрограмм пульсаций скорости, снятых в пограничном слое для скоростей У со = 8,0 м/с и 22 м/с. На приведенных спектрограммах хорошо видно выделение к концу ламинарного участка пограничного слоя доминирующих частот. Эти частоты зависят от скорости набегающего потока и возрастают с ростом скорости. Например, при скорости £/„=8 м/с соответствующая доминирующая частота /«136 Гц, при {/,*, = 14,8 м/с /«384 Гц, при и„=22 м/с /»872 Гц, при £/«, = 32,4 м/с /«=1144 Гц, при (700 = 45,6 м/с /«1624 Гц. Специальные исследования показали, что эти^волны существуют только в пограничном слое (в свободном потоке над пограничным слоем их нет) и что волны имеют длину волны и фазовую скорость распространения, близкие к характерным значениям этих величин для волн Толлмина — Шлихтинга. Например, при £/»о = 8 м/с для доминирующей частоты 136 Гц было получено, что длина волны Я«24 мм, а фазовая скорость распространения иф = 3,3 м/с. Это позволило отождествить фиксируемые в эксперименте волны с волнами Толлмина — Шлихтинга.

Линейная теория устойчивости пограничного слоя достаточно хорошо предсказывает диапазон частот доминирующих волн Толлмина — Шлихтинга. На рис. 3 изображена рассчитанная кривая нейтральной устойчивости для пограничного слоя исследуемого профиля. Как видно, экспериментально определенные доминирующие колебания попадают во внутреннюю неустойчивую область кривой нейтральной устойчивости.

Пока не до конца ясен механизм возбуждения в пограничном слое доминирующих волн. Источником их возникновения являются внешние возмущения, воздействующие на пограничный слой. Ими могут быть акустический или вихревой фон аэродинамической трубы, вибрация модели, микросрывные явления у передней кромки или неоднородности в самом пограничном слое. Пограничный слой, воспринимая внешние флуктуации, гасит их в широком диапазоне частот за исключением некоторой, достаточно узкой полосы, выполняя таким образом роль своеобразного резонансного усилителя, пропускающего только доминирующую частоту.

Экспериментальная проверка возможности управления пограничным слоем предлагаемым выше способом была осуществлена при скорости набегающего потока иф = 8 м/с, когда переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный осуществляется в одномодовом режиме — через развитие одной волны с частотой, близкой к /=136 Гц (см. фото 1).

Схема эксперимента (рис. 4): на верхней поверхности профиля при д:=37,5% была выполнена щель 1 шириной 0,2 мм и длиной 150 мм, под щелью в профиле вмонтирован динамик 2 типа 1ГД. За щелью в пограничном слое на расстоянии 0,6 мм от стенки находился датчик термоанемометра 3, сигнал от которого через термоанемометр 4 и третьоктавный фильтр выходил на осциллограф 5 (фильтр использовался

для уменьшения влияния фазовых низкочастотных возмущений). Звуковой генератор 6 через усилитель мощности 7 соединяется с динамиком.

Таким образом, в настоящем эксперименте в качестве генератора «искусственных» волн возмущения был использован звуковой генератор, соединенный через усилитель мощности с динамиком. В этой связи следует отметить, что вибрирующая пластинка, столь успешно применявшаяся в исследованиях по гидродинамической устойчивости, не является идеальным генератором поперечных волн. Присущая ей инерция накладывает сильные ограничения на ее частотную характеристику; даже при очень малой амплитуде колебаний пластинка вносит заметные возмущения в картину течения в пограничном слое.

Генерация искусственной волны в пограничном слое заданной амплитуды и частоты производилась следующим образом: на звуковом генераторе устанавливалась нужная частота, а коэффициентом усиления усилителя мощности регулировалась подводимая к- динамику мощность. Корпус динамика без зазора крепился к модели, поэтому между его мембраной и внутренней стенкой модели Образовывался объем, который сообщался с внешней средой только через щель. Ширина мембраны была 150 мм что в 750 раз больше ширины щели, поэтому совсем небольшие колебания мембраны вызывали значительный выдув плоской струйки газа, которая, как показали специальные измерения, генерирует вниз по потоку от щели плоскую волну Толлмина — Шлихтинга. При частоте /=136 Гц генерируемая волна имела такую же длину и фазовую скорость распространения как и естественная волна. Требуемая

Рис. 4

мощность на генерацию искусственной волны составляла ~0,05 Вт. Естественно, что долей акустической составляющей в пограничном слое при таких мощностях можно пренебречь. Генерацию волны заданной частоты и амплитуды можно было наблюдать на экране осциллографа (рис. 5, а). Настраивая звуковой генератор на частоту, близкую к /=136 Гц, и подбирая определенный коэффициент усиления (чтобы амплитуда генерируемой волны была равна амплитуде естественной волны), на экране осциллографа можно наблюдать взаимодействие двух волн с равными амплитудами и близкими частотами. Их сумма во времени представляет собой колебания типа «биения». Тщательная настройка частоты звукового генератора позволяет осуществить противофазное сложение волн (рис. 5, б) в течение 3—5 с с общим ослаблением сигнала в 5—6 раз; из-за того, что частота естественной волны слегка изменяется, со временем происходит фазовая расстройка колебаний и через некоторое время можно наблюдать

синфазное сфцк$ни& волн, с общим усилением- е^гнала^ в два. раза (ри^: <»>, в), затем снова нартупаёт ,режим гашения. Если оиредедять лйнийз перехода определенным фиксированным значением среднеквадратичного сигналд пульсаций напряжения на термоанемометре , то по увеличению или уменьшению этого сигналаможно судить о смещении линии пер'ёх'ода соответственно -вперед или. назад. В наших экспериментах при, противофазном сложении естественных И > искусственных возмущений (и соответственна уменьшении сигнала eRMS смещение линии перехода вниз по потоку составляло около 20% хорды, при синфазном сложений возмущений: лийия перехода смещается вверх по потоку примерно йа 6% длийы хорды.

Такйм образом, показана принципиальная возможность ламинаризации пограничного слоя; методом гашения волн Толлмина— Шлихтинга , искусственно созданной волной возмущения. Следует Особенно подчеркнуть, что затрачиваемые при этом мощности нат^и порядка меньше, чем при традиционном методе' ламинаризации путем отсоса. * ' '  '

В заключение авторы выражают; благодарность академику Г. П, Свищеву за постановку задачи и постоянное внимание к данной работе.

t ЛИТЕРАТУРА

• 1,‘З.с h u b а ц е г G. В., S с г a m s t a d Н. К.; Laminar boundary layres oscHlation and stability of laminar flow, — JAS, 1947, vol. "14, N 2.

2. He т p о в Г. И. О распространении колебаний в вязкой жидкости и возникновение турбулентности. — Труды ЦАГИ, 1938, вып. № 345.

3.. Качанов Ю. Козлов В. В„ Левченко В. Я. Возникновение ‘ турбулентности в пограничном слое. — Сб. статей, Новосибирск,

1982.

4. М i 11 in g R. W. Tollmien — Schlichting wave cancellation, Phys.

Fluids 24(5), May 1981. ,

. 5. 3 а н и н Б. Ю., Козлов В. В. Натурные исследования структуры пограничного слоя. — Ученые записки ЦАГИ, 1983, т. XIV, № 6.

6. Качанов Ю. С., Левченко В. Я. Резонансное взаимодействие возмущений при переходе к турбулентности в пограничном слое. — Препринт № 10, 1982, ИТПМ СОАН СССР, г. Новосибирск.

7. Charles J. Gedney. Phus. Fluids 26(5), May 1983.

8. Liepman H. W., Nosenchuck D. M. Active control of laminar transition. — Fluid Mechanic, 1982, vol. 118.

Рукопись поступила 9/IV 1985 г.