Измерение скорости в пограничном слое однолучевым лазерным времяпролетным методом

________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том VII 1976 ....

№ 4

УДК 533.071.08.532.526

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ ОДНОЛУЧЕВЫМ ЛАЗЕРНЫМ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫМ МЕТОДОМ

В. М. Захарченко, А. С. Мозольное, В. И. Шалаев

Приводятся результаты измерения скорости в ламинарном и турбулентном пограничном слоях пластины однолучевым лазерным времяпролетным методом в условиях стандартного аэродинамического эксперимента без введения в поток искусственных примесей. Эксперимент проводился в малотурбулентной дозвуковой аэродинамической трубе при скоростях набегающего потока от 0 до 20 м/с.

При измерении скорости в пограничном слое обычными методами взаимодействие между зондом, которым может быть трубка полного напора или термоанемометр, может повлечь за собой значительные ошибки. Оценить их и внести соответствующие исправления в процессе обработки экспериментальных данных часто бывает затруднительно. В связи с этим при изучении пристеночных течений все более интенсивно применяются беззондовые оптические методы, наиболее распространенным из которых является допплеровский [1—3].

В данной работе приводятся результаты измерения скорости в ламинарном и турбулентном пограничных слоях на пластине однолучевым лазерным времяпролетным методом [4]. В качестве рассеивающих свет аэрозолей использовались естественные неоднородности потока. Для опыта была выбрана пластина с острой передней кромкой, размерами 600x200 м, которая устанавливалась в центре рабочей части дозвуковой аэродинамической трубы сечением 1x1 м. Модель изготовлена из полированной дельта-древесины без специального покрытия. Сечение, в котором проводились измерения, располагалось на расстоянии 520 мм от носка модели. Схема установки изображена на фиг. 1. Излучение работающего в одномодовом режиме на ТЕМто-моде гелий-неонового лазера ЛГ-38 мощностью 40 мВт фокусировалось в измерительный объем объективом с фокусным расстоянием 1 м. Рассеянное излучение собиралось приемным объективом и через диафрагму и фильтр, отсекающий фон, попадало на фотоэлектронный умножитель, а выходной сигнал регистрировался осциллографом. Вся приемная часть была смонтирована в одном блоке и установлена на координатнике, имеющем ход 50 мм по всем осям. Фокусирующий объектив можно было передвигать по двум осям на то же расстояние. Сканирование измерительного объема осуществлялось синхронным перемещением фокусирующего и приемного блоков. Отсчет положения велся по шкале микрометра с большой точностью. Подробная характеристика получаемого сигнала и методика обработки описаны в работе [4].

Для сравнения результаты измерения дублировались трубкой полного давления, смонтированной на шаговом координатнике. При данной скорости потока профиль проходился насадком, который затем убирался, чтобы исключить его влияние, а потом то же самое сечение зондировалось лазерным лучом. Скорость набегающего потока изменялась от 0 до 20 м/с и вычислялась по градуировочной формуле в зависимости от скорости вращения вала компрессора.

г

На фиг. 2 и 3 приведены некоторые результаты измерений. На первой из них идо = 2,2 м/с, пограничный слой на пластине ламинарный. Там же нанесены точки, которые дают насадок полного давления и расчетный профиль Блазиуса. В целом соответствие всех результатов хорошее, за исключением области вблизи верхней границы пограничного слоя, где возможны кратковременные нестацио-нарности течения, приводящие к выбросу отдельных точек. Приведенные значения получены в результате осреднения нескольких мгновенных значений скорости, и для получения большей точности число их необходимо увеличить.

1—стенка рабочей части аэродинамической трубы; 2—модель пластины; 3—лазер; 4—фокусирующий объектив; 5—коордииатник фокусирующего объектива; б—приемный объектив; 7—диаграмма: 8—ФЭУ; 9—осциллограф; 10—крепежное устройство модели; 11-коордииатник блока

приемной оптики

Фиг. 1

мм

10

о измерение лазерным . времяпролетным методов д измерения трубной полного дадлення —расчетный профиль Блазиуса С

м/с 0 ‘

А

Л-

О 0,2 0,4 0,6 1Г;/1Га

Фиг. 2

Я

мм

10

о измерения лазерным бремя пролетным методов д измерения трудной полного давления — к I

—сшснсннии аиким 0 I

1

13 м/с

1

О ,

д/

с

0

( №

0,5 Фиг. 3

Для случая турбулентного пограничного слоя измеренные значения скорости приводятся на фиг. 3 при 0^ = 13,0 м/с. Измеренные данным методом значения представляют собой мгновенные значения скорости, поэтому разброс достигает 15%. Среднее значение и дисперссию можно получить статистической обработкой большого числа точек для каждой координаты у. Так, для вычисления средней скорости с точностью до 1% при амплитуде пульсаций 10—30% требуется от 100 до 1000 измерений. При этом необходима автоматизированная система обработки данных. Следующее затруднение возникает при определении спектральных характеристик турбулентного потока. Для получения таких характеристик информации необходимо, чтобы частота измерений была много больше частот пульсаций. В данном случае регистрация скорости осуществляется в дискретные моменты времени при пролете пылинки через измерительный объем.

При использовании естественных неоднородностей в аэродинамических трубах частота следования сигнала не превышает 200 с-1 и, стало быть, регистрируемые частоты ^ 10 Гц. При таких условиях для уменьшения интервала между измерениями необходимо вводить в поток искусственные примеси.

Насадок полного давления имеет большую постоянную времени и, осредняя все пульсации за промежуток измерения, выдает величину, близкую к средней скорости, что видно по малому разбросу экспериментальных точек на фиг. 3. Для сравнения приводится степенной профиль скорости «/(/^ = (у/6)1/17> гДе

Точность этой аппроксимации в общем согласуется с известными результатами [б]. При такого рода измерениях особую важность приобретает обеспечение достаточно жесткого крепления модели в рабочей части аэродинамической трубы. Если смещение модели сравнимо с расстоянием от поверхности до измерительного объема, то измерения в этих точках теряют смысл из-за неопределенности координаты. .

Таким образом, результаты данной работы показывают возможность измерения профиля скорости вблизи модели при помощи однолучевого лазерного времяпролетного метода. Следует добавить, что все сделанные выводы относятся и к лазерным допплеровским анемометрам, работающим на естественной запыленности.

1. Yanta W. J., Smith R. A. Measurements of turbulence transport properties with a laser Doppler velocimeter. AIAI Paper, N 73-169.

2. Рннкевичюс Б. С., Толкачев А. В., Харченко В. Н. Исследование сжимаемого турбулентного пограничного слоя и областей отрыва при числе М=5 лазерным допплеровским анемометром. Изв. АН СССР, МЖГ, 1976, № 2.

3. Качалов Ю. С., Козлов В. В., Котелки н Ю. Д., Левченко В. Я., Рудницкий А. А. Течение в пограничном слое у слабоволнистой стенки. Сб. „Газовая динамика и физическая кинетика", Новосибирск, ИТПМ СО АН СССР, 1974.

4. Захарченко В. М. Лазерный однолучевой времяпролетный метод измерения скорости газа. .Ученые записки ЦАГИ“, т. 6, № 2, 1975.

5. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., Изд. иностр. лит., 1956.

ЛИТЕРАТУРА

Рукопись поступила 25/Х 1975 г.