Экспериментальное Исследование течения в следе за плоскими телами с тупым кормовым срезом с применением оптических методов

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м V 1974 '

№ 1

УДК 533.6.071.08.778 533.6.071.082.53

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В СЛЕДЕ ЗА ПЛОСКИМИ ТЕЛАМИ С ТУПЫМ КОРМОВЫМ СРЕЗОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

3. А. Ананьева, В. Р. Бертынъ, Г. В. Земцова, А. В. Подмазов,

Б. В. Пономарев

При использовании оптико-электронных методов регистрации градиентов плотности исследовано обтекание моделей при дозвуковых скоростях потока. Для всего исследованного диапазона скоростей М= 0,2-4-0,9 в следе за моделями обнаружены „кармановская“ вихревая дорожка, а также течения с удвоенными и утроенными частотами по сравнению с „кармановской". По времени „карманов-ская* структура является преобладающей. Зарегистрировано связанное с отрывом вихрей возникновение цилиндрических звуковых волн, распространяющихся навстречу потоку.

Вопросам исследования картины течения в срывных областях при испытаниях моделей в аэродинамических трубах посвящен ряд работ, например [1—7]. В этих работах основное внимание уделялось выяснению структуры вихревого течения, определению числа Струхаля и исследованию явлений, сопровождающих образование вихрей. В настоящей работе рассмотрены некоторые особенности течения вблизи моделей с тупыми кормовыми срезами при дозвуковых скоростях.

Исследования обтекания моделей с тупыми кормовыми срезами проводились в аэродинамической трубе с размерами поперечного сечения рабочей части 150X150 мм. Верхняя и нижняя стенки трубки были перфорированными (степень проницаемости панелей в = 0,2); боковые стенки, между которыми располагались модели, были выполнены из оптического стекла.

Исследованы течения около моделей клина с углом заострения 2 0 = 8° и двух эллипсов со срезом, расположенным на 75% хорды. Хорда и высота кормовою среза меньших моделей равнялись Ь — 45 мм, й = 6 мм и для больших моделей 6 = 100 мм, с1 = 11 мм В диапазоне чисел М = 0,2-н0,9 числа Ие, отнесенные к хорде, равнялись (0,2-5- 1)Х Ю6 Для меньших моделей и (0,4-5-2) X 10е для больших моделей.

Визуализацию обтекания моделей проводили с помощью теневого прибора ТЕ-14 в прямотеневом и теневом вариантах. Проводилось как одиночное фотографирование с импульсной лампой, так и высокоскоростная теневая съемка камерой СФР 2М с частотой 31 000 и 62 000 кадр/а.

Применение высокоскоростной теневой съемки позволило проследить за этапами развития нестационарных течений не только в спутной струе, но и в достаточно большой области вблизи моделей. Исследование течения в спутной струе за моделями клиньев и эллипсов со срезанными задними кромками показало, что наряду с шахматным порядком расположения вихрей — дорожки Кармана (фиг. 1, а)-иногда наблюдается симметричное расположение вихрей, когда

а)

-t

Фиг. 1

tm-l-hr

Яасппеделение Схемы граоиентоії течения плотности

It Ил

А

Фиг. 2

в верхнем и нижнем рядах вихри расположены один йад другим (фиг. 1, б). Кроме такой четко выраженной структуры наблюдались и переходные смешанные типы течений. Примеры теневых фотографий с различными типами течений в кильватерной зоне приведены на фиг. 2.

Обработка результатов эксперимента показала, что отношение 1)Н для вихревой дорожки с шахматным порядком расположения вихрей превышает полученную Карманом [8] величину 0,281, что находится в соответствии с опытными данными других авторов [10, 11]. Здесь Л — расстояние между вихревыми дорожками, I — расстояние между соседними вихрями.

Еще в работах [7], [9] было показано, что образование вихрей приводит к возникновению звуковых волн. Однако физика этого явления до сих пор не представляется еще достаточно ясной. Импульсная и высокоскоростная теневая съемки позволяют определить некоторые детали такого течения. На фиг. 2,а показан один из теневых снимков обтекания клина при М = 0,6. Отчетливо видны вихревая дорожка Кармана и звуковые волны, распространяющиеся навстречу потоку. В соответствии с периодическим чередованием образования вихрей в верхнем и нижнем рядах дорожки звуковые цилиндрические волны на верхней и нижней поверхностях модели расположены со сдвигом фаз, равным половине периода. Перед моделью звуковые волны становятся практически плоскими, и верхний ряд волн не интерферирует с нижним рядом. Расчетным путем можно получить некоторые характеристики течения. Зная скорость распространения звуковых волн а и расстояние между волнами I, можно определить число Струхаля, отнесенное к характерному размеру й,

Преимущество этой формулы по сравнению с обычной БЬ = -тт—, где /— частота пульсаций, а — скорость набегающего потока, заключается в том, что можно сделать оценку числа ЭИ по единичному снимку. Сравнение полученных таким образом чисел БЬ с вычисленными на основании расшифровки кинограмм показывает хорошее их совпадение.

На теневых снимках отчетливо видна линия разрыва тангенциальных компонентов скоростей, отделяющая донную область от внешнего потока, обтекающего угол кормового среза. Некоторое представление о формировании звуковых волн дают прямотеневые снимки, приведенные на фиг. 2, в. Возможно, звуковая волна образуется из скачков уплотнения, возникающих на изогнутой поверхности тангенциального разрыва, ограничивающей донную область. В начальной фазе эта плоскость имеет максимальную кривизну, а в момент отрыва вихря она почти плоская. Покадровая расшифровка кинограмм показала, что формирование вихря, сопровождающееся разрушением линии разрыва тангенциальных компонентов скоростей, происходит на расстоянии, несколько большем высоты кормового среза.

В результате исследований выяснилось, что при переходных режимах течения в кильватерной зоне от „кармановской" структуры с шахматным порядком расположения вихрей к симметрично расположенным вихрям изменяются и количество, и взаимное расположение звуковых волн на верхней и нижней поверхностях моделей. Появляются сдвоенные звуковые волны со значительно меньшим расстоянием между ними, чем при шахматном порядке расположения вихрей.

Частоты пульсаций градиентов плотности и соответствующие им числа Струхаля могут быть измерены с помощью фотоэлектронной аппаратуры (фотодиода, ФЭУ), установленной в плоскости фотографирования приемной части теневого прибора. Применение ФЭУ и фотодиода позволило зарегистрировать на осциллографе форму и частоту изменения градиентов плотности в различных областях в следе за моделью и вблизи верхней и нижней поверхностей. Образцы •осциллограмм с записями пульсаций градиентов плотности приведены на фиг. 3. На каждом режиме производилось несколько измерений. В ряде случаев четко видна периодическая „синусоидальная" форма сигнала. Зарегистрированы также участки с удвоенной частотой и сложные переходные формы пульсаций как по частоте, так и по амплитуде.

В работе [7] были проведены измерения пульсаций давления на цилиндре. Вид пульсаций давления и пульсаций градиентов плотности оказался аналогичным.

м-0,3 УУИЛ л/ = 4* ^01 М-0,5

Ш м-уе рыь, +0 м%в Ш11

Фиг. 3

л

¥

0,6

42

о.

Расшифровка частоты процесса по минимальным частотам пульсаций градиентов плотности, соответствующим „кармановской“ структуре вихревой дорожки, и соответствующие им числа Струхаля приведены на фиг. 4.

Для анализа сложной картины пульсаций градиентов плотности был использован анализатор частот С5-3. Практически на всех режимах были зарегистри-

рованы основные, „кармановские“ частоты, а также удвоенные и утроенные частоты.

Для исследованного диапазона дозвуковых скоростей среднее значение числа БЬ может быть принято Б11Ср г: 0,29.

Запись пульсаций градиентов плотности на катодном осциллографе не позволяет исследовать достаточно длительный по времени процесс. Для этой цели

был использован шлейфовый осциллограф, гальванометр которого был подобран таким образом, чтобы при М = 0,2

основная частота процесса /= 2000 Гц

записывалась, а удвоенная частота не

фиксировалась. Применяя к расшифровке осциллограмм приемы, заимствованные из арсенала методов исследования пере-

77

30

20

10

- >- г сх и

о. г

Ч Ч ТГ А

£ 1' ( К1 ГГ:

0,2 0,3 0,Ь 0,5 0,6 0,7 0/ 0,9 М

г* расшифровка показаний анализатор,1 спектра. ^ п кинограмм С Ф£

Л п осциллограмм

О 2 4 6 6 10 12 П 16 13 20 22 21 Тка/>и

Фиг. 4

Фиг. 5

хода ламинарного пограничного слоя в турбулентный [12], можно получить следующие результаты. Условимся называть коэффициентом перемежаемости величину

где ЗГццрм — суммарное время существования „кармановской“ вихревой дорожки; 7\, — полное время регистрации.

Измерения при М = 0,2 дали следующие величины: коэффициент перемежаемости— & и 0,66; число перемен структур за 1с — 85; средняя длительность ,кармановской“ вихревой дорожки — Т'кари. ср ==0,0077 с.

Исследование закона, по которому распределены длительности существования „кармановской" вихревой структуры Гкарм> показало, что он близок к логарифмически нормальному (фиг. 5).

ЛИТЕРАТУРА

1. Петров Г. И., Штейнберг Р. И. Исследование потока за плохообтекаемыми телами. Труды ЦАГИ, вып. 482, 1940.

2. Попов С. Г., Кузнецов О. М., Феоктистов В. В. Тезисы Всесоюзного съезда механики. М., АН СССР, 1968.

3. Бертынь В. Р., Подмазов А. В. Применение высокоскоростной съемки для исследования структуры квазистационарного обтекания моделей в аэродинамических трубах. Крыловские чтения, Л., „Судостроение", 1968.

4. Бертынь В. Р., Земцова Г. В., Королева Е. Д., Подмазов А. В. Исследование бафтинга на моделях прямоугольных крыльев в аэродинамической трубе. Тезисы доклада 11 Всесоюзной конференции по прикладной аэродинамике. Киев, 1969.

5. Попов С. Г., К у з н е ц о в О. М. Дискретные вихри в плоском следе при М и нестационарный пограничный слой у пластинки. Изв. АН СССР, „МЖГ\ 1970, № 5.

6. Б е р т ы н ь В. Р., 3 е м ц о в а Г. В., К о р о л е в а Е. Д., Полякова А. В. Исследование особенностей обтекания шара при дои сверхзвуковых скоростях. В сб. „Промышленная аэродинамика", вып. 30, М., „Машиностроение", 1973.

7. Naumann A., Pfeiffer Н. Versuche ап Wirbelstrassen hinter Zylindern bei hohen Geschwindigkeiten. Forseh Ber. Wirt-u. Verk Minist., N-West., № 493 (1958).

8. К O'чин H. E., Розе H. В. Теоретическая гидродинамика, ч. I, М., 1938.

9. SchardinH. Die Schlierenverfahren und ihre Anwendungen^ „Ergebnisse der exacten Natur Wissenschaften", vol. 20, Berlin, 1942.

10. Бетчов P., Криминале В. Вопросы гидродинамической устойчивости. М., „Мир", 1971.

11. Уха нов а Л. Н. Статистические характеристики плоского турбулентного следа на небольшом расстоянии от цилиндра. В сб. „Промышленная аэродинамика", вып. 27, 1966.

12. Лавров Ю. В., Филиппов В. М. Экспериментальные исследования перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный пограничный слой на стенке рабочей части аэродинамической трубы. „Ученые записки ЦАГИ", т. 2, 1972.

Рукопись поступила 18/Х 1972