Исследование способа управления трехмерной отрывной зоной

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XIV 1983 № 3

УДК 629.7.05.062:62-403.3

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ОТРЫВНОЙ ЗОНОЙ

Г. Ф. Глотов, Ю Ф. Коронцвит

Предложен и исследован новый способ управления и стабилизации трехмерного отрыва, заключающийся в установке поперечной иглы в плоскости симметрии перед обтекаемым сверхзвуковым потоком трехмерным препятствием. Приводятся результаты экспериментального исследования возможности управления размерами отрывной зоны перед трехмерным препятствием (струя, цилиндр) на боковой поверхности тела вращения. Показано, что установка поперечной иглы перед препятствием позволяет существенно уменьшить размеры отрывной зоны.

Отрыв потока — одна из наиболее сложных и важных газодинамических задач, представляющая большой практический интерес. При отрыве потока происходят потери кинетической энергии, что, как правило, приводит к ухудшению аэродинамических характеристик летательного аппарата и его элементов. Поэтому в большинстве задач газовой динамики отрыв является вредным явлением, с которым приходится бороться. Существующие способы управления отрывом путем вдува или отсоса газа связаны с затратами энергии и не всегда действенны. Известно, что необходимыми условиями отрыва потока являются два фактора — положительный градиент давления и силы трения, обусловленные влиянием вязкости газа. При отсутствии хотя бы одного из них отрыв потока невозможен. Так, при обтекании сверхзвуковым потоком затупленного тела перед ним возникает положительный градиент давления, но из-за отсутствия поверхностного трения отрыва потока не происходит — образуется отошедшая ударная волна. Если же из плохообтекаемого тела выдвинута навстречу потоку (параллельно линиям тока) игла или пластина, то ее поверхность дает возможность проявиться силам вязкости — возникает поверхностное трение и происходит отрыв потока перед телом.

Нечто похожее происходит при взаимодействии вихревого следа с ударной волной перед затупленным телом. Отличие заключается в том, что в этом случае силам вязкости дает возможность проявиться не твердая поверхность, а вихревой шнур, падающий на область с положительным градиентом давления (ударную волну). Было показано [1—3], что при этом в области взаимодействия течение изменяется и приобретает характерную структуру вихревого отрывного течения. Головная ударная волна перед телом деформируется, за деформированным участком головного скачка уплотнения возникает пара вихрей, поскольку давление в передней критической точке тела меньше, чем максимальное давление по обе стороны от центральной линии. При расстоянии между телами, меньшем некоторой критической длины, срывные зоны между ними объединяются, образуя единую срывную зону — открытую каверну.

Как показано в [1], эта задача подобна задаче Харвата, исследовавшего замыкание каверны на стенке. Приращение давления в следе приблизительно равно приращению давления при отрыве турбулентного пограничного слоя на стенке, хотя механизмы течений совершенно различны. Наблюдаемое подобие результатов для свободных и ограниченных каверн, по-видимому, случайно,

поскольку для свободного следа приращение давления постоянно, а для уступа обращенного навстречу потоку, эта величина пропорциональна Ycj- Вероятно, совпадение величин произошло в результате того, что при исследованных в экспериментах числах Re перед препятствием реализовывалось течение с минимально возможным [4] повышением давления (углом отрыва).

Авторы предположили, что деформация головной ударной волны с образованием открытой каверны будет наблюдаться и при наличии стенки, например, при установке иглы перед препятствием, расположенным на поверхности тела. При сохранении картины течения это должно привести к локализации отрывной зоны на игле. Ниже приведены результаты экспериментальной проверки возможности такой локализации отрывной зоны.

1. Экспериментальное исследование проводилось при скоростях невозмущенного потока, соответствующих числам = 2,5 8,0. Препятствие в виде

цилиндра (du = 10 мм, Н = 20 мм) либо струи газа (dc = 4 мм, PodPi 350) создавалось на поверхности тела вращения. На некотором расстоянии перед ним перпендикулярно поверхности устанавливалась тонкая игла. Диаметр иглы <d = 0,5-^0,8 мм) был меньше толщины пограничного слоя 5 в месте ее установки. Толщина пограничного слоя в месте расположения иглы, определенная на основании данных работы [5], изменялась в пределах о = 2,5-ь-3.5 мм.

Рассмотрим сначала исходное течение без иглы. На теневой фотографии обтекания цилиндра или струи (см. рис. 1, а) видно, что перед ними возникает типичная пространственная картина отрывного течения со скачком отрыва 1, головной ударной волной 2 и Л-ножкой в месте их пересечения. Длина отрывной зоны при этом соответствует литературным данным и приведена на рис. 2. Соответствующие распределения давления на стенке в области взаимодействия для

продольной плоскости симметрии -jp =/(xldc) даны на рис. 3. Здесь pt— статическое давление на поверхности в невозмущенной области течения. Повышение давления в первом максимуме характерно для критического давления трехмерного отрыва [6].

При создании перед препятствием иглы картина течения существенно меняется. Если судить по фотографии течения (см. рис. 1, б), то возникает предположение об устранении отрывной зоны между иглой и препятствием и реализации безотрывного обтекания. Однако измерение распределения статического давления на поверхности (см. рис. 3) показывает его плавное нарастание при приближении к границе препятствия. Величина максимума давления при этом превышает значение критического давления отрыва. Это косвенно указывает на наличие срывной зоны между иглой и телом. В экспериментах было получено уменьшение длины области с повышенным давлением при установке иглы перед цилиндром примерно в 1,8 раза, перед струей — в 1,8 — 2,2 раза (см. рис. 2). Ширина срывной зоны, определенная по распределению давления в поперечном сечении, проходящем через ось препятствия, также уменьшилась примерно в два раза.

Отметим, что описанное явление не зависит от природы иглы, устанавливаемой перед препятствием. Эффект наблюдался и при замене твердой иглы струей жидкости, впрыскиваемой из форсунки диаметром ¿¿ф = 0,Зн-0,5 мм.

Как показали эти испытания, стабилизация отрывной зоны происходит при высоте иглы, большей толщины пограничного слоя (///о ]> 1).

При изменении режима течения перед препятствием от турбулентного (Re ~ 107) до ламинарного (Re.v s: 10^) стабилизирующее воздействие иглы сохранилось.

Авторами была проверена эффективность найденного способа при установке иглы перед препятствием, расположенным на подветренной образующей конуса (полуугол раствора 0К = 5°). По теневым фотографиям и распределению давления на поверхности (рис. 4), при изменении угла атаки от а = 0 до а = 15°, видно наличие стабилизации отрывной зоны на игле.

Таким образом, эксперименты показали, что установка тонкой поперечной

иглы перед препятствием позволяет, в широких пределах управлять

интегральными характеристиками передней отрывной зоны за счет локального воздействия на поток*.

* Этот же эффект может быть получен при установке перед препятствием продольной пластины, однако использование поперечной иглы для стабилизации отрыва имеет по сравнению с установкой пластины то преимущество, что это устройство остается эффективным и при наличии скольжения.

в — обтекание препятствий при установке иглы

V*. = 2,5

Рис. 2

а—без иглы; б—при установке иглы; в—вид в плане; 7—головная ударная волна, 2—цилиндр, 3- скачок отрыва, 4—пограничный слой, 5—игла, 6— граница отрывной зоны, 7—стенка, 8 — линия пересечения

скачка уплотнения со стенкой

Рис. 5. Течение вблизи поверхности тела

Возможность сохранения этого эффекта при увеличении диаметра иглы до (¡яс, когда перед ней возникает заметный отрыв, сомнительна и требует экспериментальной проверки. Надо иметь также в виду, что эффект уменьшения размеров отрывной зоны имеет место при сформировании следа (создании иглы) до начала возникновения отрыва перед препятствием. Как показали эксперименты, установка иглы внутри сформировавшейся отрывной зоны эффекта не дает.

2. Исследованный авторами случай отличается от описанного в литературе [ 1—3] тем, что роль тонкой пластины, выдвинутой навстречу потоку, выполняет плоский вихревой след, индуцируемый поперечной иглой, а само плохообтекаемое тело установлено на твердой поверхности. Основной эффект связан с разрушением головной ударной волны перед телом в месте контакта ее с вихревой пеленой, образующейся за иглой. В результате разрушения ударной волны исчезает основной генератор отрыва пограничного слоя на поверхности. Наблюдается изменение ориентации вектора завихренности рециркуляционного течения в срывной зоне,-—из плоскости, параллельной поверхности, он переходит в плоскость, перпендикулярную ей (рис. 5). Срывная зона с парой вихрей располагается в вертикальной плоскости за иглой, стабилизируясь своей передней границей на ней. Интенсивность возникающих при обтекании набегающим потоком образовавшегося жидкого клина скачков уплотнения значительно ниже, чем интенсивность ударной волны, и недостаточна для того, чтобы вызвать отрыв пограничного слоя на поверхности.

Для практических целей представляют интерес границы возможностей управления размерами отрывной зоны установкой на поверхности тонкой поперечной иглы перед основным трехмерным препятствием. Максимальное расстояние между иглой и препятствием, на котором будет сказываться этот эффект, можно оценить по критической длине следа и длине отрывной зоны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чжен П. Отрывное течение. М. „Мир“, 1973.

2. 3 а т о л о к а В. В., Иванюшкин А. К., Николаеве А. В. Интерференция вихрей со скачками уплотнения в воздухозаборнике. Разрушение вихрей. „Ученые записки ЦАГИ“, т. VI, № 2, 1975.

3. X л е б н и к о в В. С. Исследование течения перед диском, помещенным в следе тела, при сверхзвуковом обтекании. Труды ЦАГИ, вып. 1419, 1972.

4. Н е й л а и д В. Я., Таганов Г. И. О характере течения в срывной зоне. „Инженерный журнал“, том И, вып. 3, 1962.

5. Гарбузов В. М., Колина Н. П., П я т н о в а А. И. Расчет коэффициентов сопротивления трения и теплопередачи пластины и острого конуса, обтекаемого сверхзвуковым потоком, при турбулентном течении в пограничном слое. Труды ЦАГИ, вып. 1881, 1977.

6. Глотов Г- Ф., Ф е й м а н М. И. Критическое давление двумерного и трехмерного отрыва турбулентного пограничного слоя при М>2. „Ученые записки ЦАГИ“, т. X, № 4, 1979.

Рукопись поступила 19;1Х 1980 г.