Экспериментальное исследование возможности гашения волны Толлмина-Шлихтинга введением в пограничный слой искусственных возмущений

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И Том XXI 1990

№ 2

УДК 629.7.015.3.062.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГАШЕНИЯ ВОЛНЫ ТОЛЛМИНА—ШЛИХТИНГА ВВЕДЕНИЕМ В ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ ИСКУССТВЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

И. А. Белов, В. М. Литвинов, Г. П. Свищев

Приведены результаты экспериментального исследования возможности ламинаризации течения воздействием на искусственно генерируемые волны Толлмина — Шлихтинга гасящих возмущений, вводимых в пограничный слой методом вибрирующей ленточки. Реализована схема управления гасящими колебаниями ленточки на основе информации о параметрах исходной волны с датчика термоанемометра. Проанализированы спектральные и корреляционные характеристики процесса развития и взаимодействия в пограничном слое волновых возмущений в условиях пространственной неоднородности течения, приводящей к искажению фазового фронта возмущений.

Одной из актуальных задач аэродинамики является задача уменьшения сопротивления трения тел, обтекаемых потоком газа. Значительное снижение сопротивления трения может быть достигнуто за счет увеличения протяженности ламинарных участков течения путем повышения устойчивости ламинарного пограничного слоя и затягивания перехода к турбулентности. Как показали исследования [1—3], переход ламинарного дозвукового пограничного слоя в турбулентный осуществляется, как правило, через формирование и развитие волны Толлмина— Шлихтинга. Отсюда появился нетрадиционный способ ламинаризации, заключающийся в подавлении неустойчивых волн Толлмина — Шлихтинга с помощью вводимых в пограничный слой течения искусственно создаваемых возмущений.

О большом внимании к указанному способу ламинаризации свидетельствует и ряд появившихся в последнее время экспериментальных работ [4—11], в которых получены интересные результаты, иллюстрирующие различные методы создания искусственных возмущений в пограничном слое, приводящих к гашению волн Толлмина — Шлихтинга. В частности, исследовалась возможность воздействия на волну Толлмина— Шлихтинга локальными вибрациями поверхности [4], внешним акустическим облучением [5, 6], локальным периодическим нагревом [7], вибрирующей ленточкой [8], установленной в пограничном слое. В не-

давних работах [9—11] подавление волн осуществлялось периодическим вдувом-отсосом через систему отверстий либо через узкую щель на поверхности. Было показано, что возмущения, вводимые в противофазе с искусственно генерируемыми волнами пограничного слоя, подавляют их нарастание, приводят к снижению пристеночных пульсаций скорости и к смещению вниз по потоку перехода от ламинарого течения к турбулентному. Однако для реализации устойчивого процесса гашения волн необходимо непрерывное поддержание соответствующего фазового сдвига, частоты и амплитуды вводимых в пограничный слой возмущений, так как даже небольшие рассогласования могут привести к обратному эффекту, либо к чередованию режимов гашения и усиления волны (биениям) [10].

Цель настоящей работы заключалась в исследовании возможности стабильного подавления волн Толлмина — Шлихтинга введением в пограничный слой возмущений, генерируемых вибрирующей ленточкой, которая возбуждается сигналом с термоанемометрического датчика, установленного заподлицо с поверхностью на некотором расстоянии перед ленточкой. Для регулирования амплитуды и фазы колебаний ленточки в цепь ее возбуждения был введен блок временной задержки сигнала и усилитель.

1. Экспериментальные исследования проводились в дозвуковой аэродинамической трубе с открытым рабочей частью диаметром 1,2 при скорости потока 10 м/с и степени турбулентности —0,3%• В качестве модели использовалась плоская пластина размерами 1000X500X20 мм с эллипсообразным носком с соотношением полуосей эллипса на рабочей стороне 1 :32. Для формирования над пластиной плоского течения модель была снабжена ограничительными боковыми шайбами.

На рис. 1 приведена принципиальная схема эксперимента. Возбуждение исходной волны Толлмина — Шлихтинга и гасящих эту волну возмущений осуществлялось соответственно с помощью двух металлических ленточек, натянутых в пограничном слое на высоте 0,2 мм от поверхности модели и расположенных последовательно на расстояниях: Х = 205 мм и 335 мм от носка модели. Каждая из ленточек, размерами 500X2,5X0,05 мм, колебалась в поле постоянного расположенного снизу

Рис. 1. Принципиальная схема эксперимента:

1—модель, 2—стационарный датчик термоанемометра, 3—вибрирующая ленточка 1, 4—вибрирующая

ленточка 2, 5—подвижный датчик термоанемометра, 3—вибрирующая ленточка 1, 4—вибрирующая

анализатор спектра СК4-72, в—осциллограф С1-65, 9—коррелятор Х6-4, 10—генератор ГЗ-34, 12—блок

цифровой линии задержки сигнала, 13—усилитель

6 7 И 3

модели магнита при пропускании по ней переменного электрического тока. Исходная волна возбуждалась ленточкой 1 от генератора синусоидальных колебаний. Начальная амплитуда колебаний ленточки устанавливалась такой, чтобы переход к турбулентности на частотах возмущений /=108—115 Гц формировался на пластине на расстоянии Х= = 500 — 650 мм от передней кромки модели.

Волна гашения возбуждалась ленточкой 2 от сигнала, поступающего с датчика термоанемометра, установленного стационарно перед ленточкой (ЛХ=90 мм) заподлицо с обтекаемой поверхностью. Амплитуда и фаза колебаний ленточки 2 регулировались с помощью блока цифровой задержки (минимальное время задержки сигнала с датчика термоанемометра составляло £* = 0,3856 мс) и усилителя мощности (см. рис. 1).

Пульсационные характеристики течения в пограничном слое измерялись подвижным датчиком термоанемометра, который был закреплен на координатнике с возможностью перемещения над поверхностью модели как в продольном, так и поперечном направлениях. Амплитудно-частотный и корреляцинный анализ свойств пульсаций скорости проводился с помощью многоканального анализатора спектра СК4-72 и коррелятора Х6—4.

2. Для иллюстрации возможности управления пульсационными характеристиками течения введением в пограничный слой искусственных возмущений была определена зависимость среднеквадратичных пульсаций скорости е = 1/"и'2/£Дп от времени задержки сигнала подаваемого на ленточку 2 (рис. 2). Из этого рисунка видно, что пульсации скорости за ленточкой 2, в зависимости от времени задержки, могут быть либо уменьшены до 0,046% (при tя = 8t.Л: и 30,6 /*), либо увеличены до 1,9% (при tз= 18г*). Исходный уровень пульсаций скорости, измеренный в той же точке течения (Х=375 мм, у = 0,4 мм и 2 = 230 мм) в отсутствие колебаний ленточки 2, составлял 1,04% и на рис. 2 отмечен горизонтальной штриховой линией. При поддержании времени задержки сигнала на уровне /3= б£* гашение возмущений наблюдается при всех значениях X вплоть до зоны перехода, которая при этом смещается вниз по потоку (рис. 3).

Эволюция возмущений, распространяющихся в пограничном слое вниз по потоку, проиллюстрирована на рис. 4, на котором приведена серия типичных осциллограмм и спектров пульсаций скорости в различных точках течения Х = 375, 455, и 510 мм. Как следует из анализа

0

300 500 Х,мм

0 8 16 24

Рис. 3. Пульсации скорости без воздействия (кривая 1) и с воздействием искусственных возмущений частотой /=115 Гц (кривая 2, ¿3=6 в се-

Рис. 2. Зависимость относительных пульсаций скорости от времени задержки сигнала, подаваемого на ленточку 2

чении 2=250 мм

5

осциллограмм, гашение волны Толлмина—Шлихтинга с помощью ленточки 2 приводит к снижению пульсаций скорости за ленточкой в два-три раза. В спектрах пульсаций скорости можно отметить наряду с основной (/=110 Гц) наличие второй гармоники (рис. 4,а), а при движении возмущений вниз по потоку (^ = 455 мм) — возникновение третьей и четвертой гармоник (рис. 4,6). Как отмечалось в работе [12], появление высших гармоник в спектре пульсаций связано с проявлением нелинейности взаимодействия, которая в дальнейшем приводит к перераспределению энергии пульсаций по спектру и к уменьшению амплитуды высших гармоник (см. спектр на рис. 4, в, снятый в зоне перехода). Введение в пограничный слой течения гасящих возмущений приводит к заметному подавлению как основной, так и высших гармоник в спектре

: о $,м е,т г,с о а$2

Рис. 4. Осциллограммы и спектры пульсаций скорости течения без воздействия (кривые У) и с воздействием (кривые 2) гасящих возмущений:

а — X = 335 мм; б — X = 455 мм; в — X = 510 мм

л

лЛЛ^'--

ч

пульсаций скорости. В то же время в спектре наблюдается некоторое повышение уровня энергии пульсаций в диапазоне 50—160 Гц (см. рис. 4, а,б). Это, по-видимому, обусловлено тем, что управляющий колебаниями ленточки 2 сигнал датчика термоанемометра формируется под действием возмущений всех частот, присутствующих в потоке.

Таким образом, сигнал датчика получается сложением возмущений разных частот и не является чисто синусоидальным, что из-за различия скорости распространения возмущений разных частот (рис. 5) приводит к наблюдаемому в спектре повышению уровня энергии. Наблюдаемое в эксперименте незначительное смещение вниз по потоку перехода ламинарного пограничного слоя к турбулентному (см. рис. 3), по-видимому, также связано с относительно большим уровнем начальных амплитуд возмущений и пульсаций скорости в набегающем потоке ( — 0,3%), приводящих к возникновению нелинейных эффектов взаимодействия на сравнительно малопротяженных участках течения. Более сильного гашения возмущений и значительного смещения перехода можно, по-видимому, добиться, если сигнал с датчика термоанемометра разложить по спектру и для каждой частоты осуществить требуемую временную задержку сигнала. Действительно, когда гашение проводилось при возбуждении ленточки 2 синусоидальным сигналом, фаза и частота которого устанавливались по известным, либо предварительно измеренным параметрам волны Толмина—Шлихтинга, то существенно подавлялась именно эта волна и слабо гасились волны других частот. Указанный режим гашения волн был осуществлен в эксперименте при работе по схеме, когда обе ленточки возбуждались синусоидальным сигналом от одного генератора, так что гасящая возмущения ленточка 2, сигнал на которую подавался при неизменном времени задержки, отслеживала особенности колебаний задающей ленточки 1. Если попытаться гасить не искусственно создаваемые возмущения, а естественные, то реализованная в настоящем эксперименте схема (см. рис. 1), в которой с помощью датчика термоанемометра осуществляется непрерывное измерение параметров волновых возмущений с последующей временной задержкой сигнала, может быть использована для подавления не только периодических, но и случайных возмущений. Однако, если исходная волна возмущений имеет искажения фазового фронта, то гашение ее с помощью вибрирующей ленточки, как показали исследования, становится затруднительным. В проведенном эксперименте искажение фазового фронта волны достигалось путем создания неоднородных условий генерации возмущений по размаху модели. Для этого носок модели был сдеформи-рован в поперечном направлении 2 таким образом, что расстояние ленточки 1, с помощью которой генерировались начальные возмущения, от поверхности модели составляло 0,2 мм в центральном сечении (2 = = 250 мм) и 1,6 мм по краям модели (при 2=0 и 500 мм).

Так как ленточка находилась на различных высотах пограничного слоя (толщина слоя 2,7 мм), то в результате этого формировалась волна, фаза которой изменялась при 2 = 210 мм почти на 140° (рис. 6). При воздействии вибрирующей ленточки 2 на волну, имеющую искажения

Шф/ит

0,4 0,1

0300 Ч-00 Х,мм

Рис. 5. Изменение относительной фазовой скорости волновых возмущений различной частоты вдоль потока

Ленточка Л 1

/=195 Ги 148 Гц 108Гц

____1_

Рис. 6. Распределение фазы колебаний волновых возмущений и изменение относительных пульсаций скорости по 1

Рис. 7. Пульсации скорости без воздействия (кривая /) и с воздействием искусственных возмущений (кривая 2, ¿з = 6 в сечении 1=230 мм

фазового фронта, относительные пульсации скорости — на одних

£0

участках течения (180 мм<2< 190 мм) возрастали, а на других (210мм< <2<260 мм), наоборот, уменьшались (см. рис. 6, ео—пульсации скорости в отсутствии колебаний ленточки 2). Из приведенных результатов видно, что при заданном времени задержки (¿3= б£*) осуществить гашение неоднородной волны на всех участках течения с помощью одной ленточки затруднительно. Этот вывод подтверждают и результаты измерений пульсаций скорости вдоль по потоку в сечении 2 = 230 мм (рис. 7). До значений Х=460 мм наблюдается гашение волны, а далее при Х>460 мм эффект гашения волны отсутствует, пульсации скорости возрастают, а точка перехода смещается вверх по потоку. Этот факт связан с пространственным развитием зоны с повышенным уровнем возмущений, которая возникла в результате фазовой неоднородности волны по 2 в сечении воздействия ленты 2. Для гашения таких пространственных возмущений, по-видимому, необходима многоканальная система, каждый канал которой настроен на гашение возмущений в определенной ограниченной области течения, где фаза волны постоянна.

В заключение авторы выражают благодарность М. Н. Когану за постоянное внимание к данной работе и полезные замечания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Schubauer G. В., Scramstad А. К. Laminar boundary layres oscillation and stability of liminar flow. — JAS, 1947, vol. 14, N 2.

2. К а ч а н о в Ю. С., Козлов В. В., Л е в ч е н ко В. Я. Возникновение турбулентности в пограничном слое. — Сб. статей, Новосибирск, 1982.

3. 3 а н и н Б. Ю., Козлов В. В. Натурные исследования структуры пограничного слоя. — Ученые записки ЦАГИ, 1983, т. 14, № 6.

4. Г и л е в В. М., Козлов В. В. Использование малых локализованных вибраций поверхности для управления процессом перехода в пограничном слое. — Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, вып. 2, № 10, 1985.

5. Д о в г а л ь А. В., Козлов В. В. Влияние акустических возмущений на структуру течения в пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления. — Изв. АН СССР, МЖГ, № 2, 1983.

6. Б а р д а х а н о в С. П., Довгаль А. В., Качанов Ю. С., Козлов В. В., Свищ ев Г. П., Симонов О. А., Щ е р б а к о в В. А. Акустическое управление развитием возмущений в пограничном слое. — Ученые записки ЦАГИ, 1986, т. 17, № 1.

7. Liepmann H. W., Nosenchuck D. M. Active control of laminar-turbulent transition.—J. Fluid Mech., 1982, vol. 118.

8. T h о m a s A. S. W. The control of boundary-layer transition using a wave-superposition principle. — J. Fluid Mech., 1983, vol. 137.

9. Г и л e в В. М., Козлов В. В. Влияние периодического вдува — отсоса на процесс перехода в пограничном слое. — Ученые записки ЦАГИ, 1986, т. 17, № 3.

10. Пилипенко А. А., Ш а п о в а л о в Г. К. Управление состоянием пограничного слоя путем введения искусственных возмущений. — Ученые записки ЦАГИ, 1986, т. 17, № 4.

11. Москалик Л. М., Пилипенко А. А., Фролова И. Е., Шаповалов Г. К. Один метод активного контроля состоянием пограничного слоя.— Ученые записки ЦАГИ, 1988, т. 19, № 3.

12. Качанов Ю. С., Козлов В. В., Л е в ч е н к о В. Я. Нелинейное развитие волны в пограничном слое. — Изв. АН СССР МЖГ, 1977, № 3.

Рукопись поступила 10/IV 1989