Турбулентный след за проницаемым диском

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том VI 1975 № 1

УДК 532.526.048.3 532.525.2

ТУРБУЛЕНТНЫЙ СЛЕД ЗА ПРОНИЦАЕМЫМ ДИСКОМ

Л. Н. Уханова

Экспериментальным путем определены характеристики турбулентных следов за круглыми проницаемыми дисками. Показано, что степень проницаемости диска существенным образом влияет на параметры осредненного и пульсационного течения в ближнем следе.

Известно, что структура отрывного течения за плохообтекаемыми телами и, а частности, в донной области за уступом видоизменяется при вдуве газа в кормовую область [1]. Течения аналогичного характера наблюдаются и при обтекании проницаемых тел. Образующийся за ними турбулентный след формируется под воздействием как внешнего потока, так и сильного турбулизированного вторичного течения сквозь проницаемое тело.

Некоторые характеристики плоских турбулентных следов за проницаемыми пластинами представлены в работе [2]. В этой работе весовым методом и методом импульсов определена зависимость коэффициента сопротивления пластины от степени ее проницаемости. Кроме того, по данным термоанемометрических измерений в плоском следе построены кривые, иллюстрирующие изменение вдоль оси средней скорости и среднеквадратичных значений продольной составляющей пульсационной скорости при двух значениях коэффициента проницаемости пластины, а также зависимость характерного числа Струхаля от степени проницаемости пластины.

Целью настоящей работы было экспериментальное изучение осесимметричного турбулентного следа за перфорированными дисками в поперечном потоке. В процессе эксперимента были измерены параметры спутного течения за шестью дисками диаметром е( = 30 мм и толщиной 2,6 мм. Один из дисков был сплошной {с коэффициентом проницаемости, равным нулю), четыре диска с 19 одинаково расположенными отверстиями, диаметры которых были равны 2, 3, 4 и 5 мм, имели соответственно степень проницаемости р = 0,0845; 0,19; 0,338; 0,527 и, наконец, шестой диск имел 43 отверстия диаметром 2 мм, что соответствовало степени проницаемости р = 0,19. Схема расположения отверстий на дисках показана на фиг. 1.

Испытания проводились на малых скоростях в аэродинамической трубе замкнутого типа с открытой рабочей частью. Диаметр выходного сечения сопла и длина рабочей части составляли 440 и 1000 мм. Диски закреплялись в центре выходного сечения сопла при помощи четырех проволочных тяг диаметром 0,3 мм, Измерения в следе были выполнены на участке протяженностью в 30 калибров диска с помощью термоанемометрических (однониточных) и пневмометрических насадков (Т-образный насадок на оси следа, трубка Пито — Прандтля) в диапазоне чисел Рейнольдса Ие = Исо й/ч = (1,05 -г- 7,35)-Ю4; здесь «со — скорость набегающего потока. Интенсивность турбулентности набегающего потока, определенная по продольной пульсации скорости, составляла 0,3%.

Следует отметить, что в областях потока с очень большой степенью турбулентности погрешности измерений средней скорости как пневмометрическим,

Л 08

так и термоанемометрическим насаДками становятся значительными. Выполненные в настоящей работе измерения скорости вдоль следа и (х) = и/иоо для дисков различной проницаемости обоими указанными способами практически совпадают. Кроме того, распределение скорости вдоль оси следа за сплошным диском весьма близко к соответствующему распределению из работы [3]. Это дает основание полагать, что полученные в настоящей работе зависимости правильно отражают картину течения в следе.

В процессе эксперимента были получены распределения скорости, давления и интенсивности турбулентности (по продольной составляющей пульсационной скорости) вдоль оси следа и в ряде поперечных сечений, конфигурация зон возвратного течения, спектры турбулентности вне области обратных токов, а также коэффициенты двухточечной корреляции между продольными пульсациями скорости при симметричном радиальном перемещении двух термонасадков от оси следа. Совокупность перечисленных зависимостей позволила выявить влияние степени проницаемости на основные характеристики турбулентных следов за дисками.

Результаты измерений средней скорости вдоль оси следа при пяти значениях коэффициента проницаемости и числе Ре = 7,35-104 представлены на фиг. 1. Обращает на себя внимание наличие зоны возвратного течения, начало и протяженность которой существенным образом зависят от коэффициента проницаемости

диска; при |3 = 0,527 зона обратных токов отсутствует. Из рассмотрения фиг. 1 видно, как по мере роста коэффициента Р смещается вниз по потоку начало зоны обратных токов вплоть до ее исчезновения при р = 0,527.

На фиг. 1 показаны примерные конфигурации областей возвратного течения при четырех значениях р, построенные по результатам измерений профилей скорости в поперечных сечениях следа.

Необходимо отметить, что при фиксированном значении коэффициента 3 = = 0,19 размер отверстий перфорации не оказывал заметного влияния на распределение скорости вдоль оси следа и на конфигурацию зон возвратного течения. Кроме того, мало сказывалось на характеристиках следа изменение числа Рейнольдса в указанных выше пределах.

С помощью Т-образного насадка было измерено распределение давления вдоль оси следа. Соответствующие данные представлены на фиг. 2, где р —

(р — Рсо) _ „

= ——2— • В непосредственной близости от диска и внутри области возвратного

течения давление существенно отличается от давления в набегающем потоке. Начиная с удалений от диска, равных приблизительно х = л:/й = 5, при всех значениях проницаемости течение можно было считать изобарическим. Это обстоятельство учитывалось при определении коэффициента сопротивления сх проницаемых дисков методом импульсов. Зависимость с*(Р) представлена на фиг. 3, на которой для сравнения приведены также соответствующие зависимости для проницаемых пластин [2], полученные по методу импульсов (черные точки) и весо-

вым методом. Пунктирная линия на фиг. 3 соответствует значению сх для сплошного диска.

На фиг. 2 приведены кривые, характеризующие распределение вдоль оси следа среднеквадратичной величины продольной составляющей пульсационной

скорости, отнесенной к скорости набегающего потока е5% = 100]Аг'2/исю. Следует отметить, что при экспериментальном определении соответствующих значений интенсивности турбулентности, при котором V"«,3 относится к местной средней

скорости е% = 100 ии/и, величина г при очень малых значениях местной средней скорости достигает столь больших величин е>50%, что термоанемометри-ческие измерения становятся недостоверными, т. е. погрешности измерений превышают ЗОН от измеряемой величины. На кривых ед(х) (см. фиг. 2) такие значения £>50% соответствуют участку л: = 0ч-0,5 при р = 0, а также .*=1,2-*-1,8 и х = 2,4-н 2,8 при р = 0,338.

Совместное рассмотрение экспериментальных результатов, представленных на фиг. 1 и 2, позволяет заключить, что структура ближнего следа за перфорированными дисками существенно определяется степенью их проницаемости: чем меньше проницаемость, тем быстрее вырождается след.

Кроме того, ближние следы за перфорированными дисками при значениях коэффициента проницаемости 0<;р^0,338 характеризуются периодичностью. Спектральный анализ продольных пульсаций скорости в ряде точек следа за зоной обратных токов, проведенный при помощи третьоктавного анализатора фирмы Брюль и Кьер, показал, что в раснределениях спектральной плотности по частотам при этих значениях р наблюдается всплеск, соответствующий числу Струхаля, равному приблизительно 0,14. Однако в отличие от плоского следа за проницаемыми пластинами [2] характерная частота крупномасштабных вихреоб-разований в осесимметричном следе проявляется менее четко и тем слабее, чем выше коэффициент проницаемости. Какой-либо четкой зависимости числа Струхаля от коэффициента р в данном эксперименте не было обнаружено.

Наличие периодической структуры в ближнем следе за перфорированными дисками при определенных значениях р обусловливает характерные распределения коэффициентов пространственной корреляции 1?ии(У1(1) вдоль радиуса у, измеренных в этой области течения при симметричном раздвижении насадков от оси следа. Приведенные на фиг. 4 (для х = 3,5) кривые Яии(у) дают представление о поперечных размерах характерных вихревых образований в изучаемых следах (по размерам зоны отрицательных значений коэффициентов Я„„) и

о влиянии степени проницаемости диска на эти размеры. Отчетливо видно, что с увеличением проницаемости дисков поперечные размеры области отрицательной корреляции уменьшаются.

Таким образом, из полученных результатов следует, что структура спутного осесимметричного течения за круглыми проницаемыми дисками на сравнительно небольших удалениях существенно зависит от степени проницаемости. Измерения скоростей в поперечных сечениях следа за диском вдали от зоны обратных токов (л:>13) показали, что соответствующие профили дефекта скорости

Лй

<здесь ит — скорость на оси следа; 61/2 — полуширина профиля средней скорости на половине его глубины) в приосевой части следа оказываются несколько более наполненными по сравнению с аналогичными профилями в следе за удобо-обтекаемым телом [1]. При этом прослеживается тенденция к большему „напол-

О,в

’7 0,6 О,*0,3 0,2 0Л1 0,05 (} 0,01

/—пластина; 2—диск Фиг. 3

нению” профиля дефекта скорости в приосевой части следа с уменьшением проницаемости диска.

Для примера на фиг. 5 предоставлены два профиля дефекта скорости вдали от зоны обратных токов для сплошного и проницаемого дисков. Пунктирная кривая соответствует профилю дефекта скорости за удобообтекаемым телом [1]. Этот результат находится в удовлетворительном качественном соответствии с результатами экспериментального исследования спутного течения за диском, представленными в работе [4].

Автор выражает благодарность А. С. Гиневскому за постановку задачи и полезные обсуждения.

А и

0,5

КЄ-- -7,35-10

ж "

0,338 У ->

<

Фиг. 5

ЛИТЕРАТУРА

1. Гиневский А. С. Теория турбулентных струй и следов. М., „Машиностроение", 1969.

2. Castro J. P. Wake characteristics of two-dimensional perforated plates normal to an airstream. J. Fluid Mech., vol. 46, pt. 3, 1971.

3. Carmodi T. Establishment of the wake behind a disk. Trans. ASME, S. D„ vol. 86, N 4, 1964.

4. Reichardt A., Ermshaus R. Impuls- und Warmelibertragung in turbulenten Windschatten hinter Rotationskorpern. Internat. J. Heat and Mass Transfer, vol. 5. 1962.

Рукопись поступила 29jl 1974