Исследование влияния генераторов вихрей на отрыв турбулентного пограничного слоя

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И Том III 1972

№ 4

УДК 629.735.33.015.3.025.35

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ВИХРЕЙ НА ОТРЫВ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

В. М. Гадецкий, Я М. Серебрийский, В. М. Фомин

Приводятся результаты экспериментального исследования при околозвуковых скоростях влияния параллельной и диффузорной систем генераторов вихрей на отрыв пограничного слоя и положение скачка уплотнения на полупрофиле.

Предотвращение или ослабление ряда нежелательных явлений, возникающих на летательных аппаратах при околозвуковых режимах обтекания и связанных со срывом пограничного слоя из-под скачков уплотнения, имеет важное значение.

Одним из средств управления пограничным слоем, применяемым в местах отрыва потока, являются генераторы вихрей. Они представляют собой специальные устройства на поверхности летательного аппарата для усиления обмена количеством движения между пристеночной и внешней частями пограничного слоя. Генераторами вихрей могут быть, например, небольшие пластинки, которые располагаются перпендикулярно поверхности и имеют высоту порядка толщины пограничного слоя. Вихри, которые сбегают с боковых кромок пластинок(прямоугольной, трапециевидной или треугольной формы в плане), закрепленных на поверхности под некоторым углом атаки, увеличивают энергию потока в непосредственной близости от стенки. При правильном выборе геометрических параметров генераторов вихрей и места их расположения на поверхности можно добиться смещения назад по потоку и в некоторых случаях полной ликвидации отрыва пограничного слоя, возникающего при неблагоприятном градиенте давления. Результаты исследований генераторов вихрей такого типа даны в работах [1] и [2].

Статья посвящена экспериментальному исследованию подавления отрыва турбулентного пограничного слоя на полупрофиле при околозвуковых скоростях с помощью генераторов вихрей. Эксперимент проводился в аэродинамической трубе в диапазоне чисел

М = 0,6-М. Модель представляла собой полупрофиль относительной толщины 7=10%, с хордой Ь= 150 мм; контур полупрофиля выполнен в виде дуги окружности радиусом /?=195 мм. Модель устанавливалась на стенке рабочей части аэродинамической трубы для получения достаточно толстого турбулентного пограничного слоя на поверхности полупрофиля. При испытаниях моделей, расположенных в центре потока, пограничный слой получается тонким, что затрудняет осуществление геометрического моделирования генераторов вихрей пд отношению к высоте пограничного слоя.

Модель

Генераторы

йихрей

7777777^77777

Стен ха 0

мичесяяи труёы

Параллельная система генераторов За х ре а

Дигр/рузорная система генераторов Захреи

|/У. п.

/!$г /К

*1

± 15“

Фиг. I

Испытание полупрофиля проводилось с целью получения физической картины воздействия генераторов вихрей на отрыв, а не количественных характеристик для конкретного профиля.

В качестве генераторов использовались пластинки прямоугольной формы в плане, выступающие над поверхностью полупрофиля на высоту к ^4 мм. Эксперименты проводились с использованием двух схем расположения генераторов вихрей по размаху модели: параллельной и диффузорной (фиг. I).

При параллельной системе генераторы вихрей устанавливались вдоль размаха модели с шагом £ = 12,5 мм под углом атаки к набегающему потоку (3 = 20° на относительном расстоянии от передней кромки хГ~х/Ь = 0,5 и 0,63. Применялись генераторы вихрей с хордой Ь = 10 и 20 мм.

При диффузорной системе генераторы вихрей устанавливались парами вдоль размаха с шагом ^ = 40 мм (£2 = 10 мм) под углом

Фиг. 2 б

к набегающему потоку Р = +15° на относительном расстоянии от передней кромки модели хг = 0,67. Хорда генераторов вихрей при этой системе расположения равнялась 5 и 10 мм. В центральном сечении хвостовой части модели имелись дренажные отверстия для измерения давления. Для регистрации результатов эксперимента использовались метод масляной пленки, измерение распределения давления и оптические методы (прямотеневой метод, метод Теплера).

Необходимым условием эффективной работы рассмотренных генераторов вихрей является расположение их в пределах зоны порядка толщины пограничного слоя 8. Измерения профиля скорости на стенке аэродинамической трубы непосредственно перед моделью и расшифровка данных оптических исследований показали, что выбранная высота генераторов вихрей приблизительно удовлетворяет условиям их наиболее эффективной работы при /г ~ 8.

При обтекании модели с образованием местной сверхзвуковой зоны установка генераторов вихрей изменила как размеры области отрыва пограничного слоя из-под скачка уплотнения, так и положение самого скачка уплотнения. Это видно на фиг. 2, где для

примера приведены результаты визуализации картины обтекания полупрофиля, полученные различными методами при числе Моо=:0,93.

При параллельной системе генераторов вихрей вместо обширной области отрыва пограничного слоя наблюдаются лишь небольшие участки местного отрыва вблизи скачка уплотнения. Скачок при этом смещается к задней кромке полупрофиля. В результате подавления отрыва пограничного слоя происходит изменение эпюры давления на полупрофиле.

Из сравнения распределений давления на модели без генераторов вихрей и с параллельной системой генераторов вихрей (фиг. 3) можно заключить, что генераторы вихрей (&г = 20 мм) приводят в данном случае к практически безотрывному обтеканию модели.

Вместо эпюры с областью постоянного давления получается эпюра с постепенным восстановлением давления.

Диффузорная система генераторов вихрей в отличие от параллельной системы лишь частично и неравномерно по размаху полупрофиля подавляет отрыв пограничного слоя.

На докритических режимах обтекания, когда местные скорости меньше скорости звука, установка параллельной системы генераторов вихрей почти полностью ликвидирует отрыв пограничного слоя в хвостовой части полупрофиля. Это подтверждается не только картиной течения масляной пленки, но и изменениями в эпюре давления (см. фиг. 3). В случае диффузорной системы генераторов вихрей (с геометрическими

Датчика

давления

Модель Генераторы дихрей

0J5

>М=063

0,72

ОМ

ОМ

093

^ ЮЗ

параметрами, принятыми в данной статье), как и в случае отрыва пограничного слоя из-под скачка, происходит лишь частичное подавление отрыва. Неравномерное по размаху влияние диффузорной системы генераторов вихрей практически не изменило распределения давления в центральном сечении модели при их установке.

Таким образом,исследованная диффузорная система оказалась существенно менее эффективной, чем параллельная, что, естественно, не исключает дальнейших исследований по выбору параметров диффузорной системы.

При экспериментальных исследованиях с параллельным расположением генераторов вихрей варьировались как место их установки, так и величина хорды генератора. Во всем исследованном диапазоне чисел Мсо смещение генераторов вихрей по хорде в диапазоне хТ~ 0,5 -т-0,63 практически не сказалось на их эффективности. С другой стороны, изменение размера хорды генератора влияет на интенсивность вихрей системы и, следовательно,на ее воздействие на пограничный слой. Переход от хорды генератора вихрей Ьт = 20 мм к Ьг = 10 мм существенно уменьшил воздействие генераторов вихрей на отрыв пограничного слоя (см. эпюры давления на фиг. 3 для двух значений Ьт).

На фиг. 4 и 5 приведены зависимости от числа Моо набегающего потока положения зоны отрыва и скачка уплотнения на модели с генераторами вихрей. Там же даны аналогичные зависимости для модели без генераторов вихрей. При обработке экспериментального материала за положение точки отрыва пограничного слоя принималось среднее по размаху значение лг0тр, полученное из фотографий растекания масляной пленки, а положение скачка уплотнения определялось по фотографиям обтекания, полученным оптическими методами.

0251

* J *

____jj Параллельная сас-

ппгС \шема генератород ' — ОМВ J fcxpeu -,хГ/Ъ = 0J

----дез генератсроЗ Захрея

Фиг. 3

График Xo-rp (Moo) для полупрофиля без генераторов вихрей отражает известную закономерность: отрыв в хвостовой части модели (хотр = 0,9) с увеличением скорости набегающего потока распространяется вперед, достигая при М = 0,85 положения, соответствующего в данном случае лготр —0,63. Это объясняется тем, что при переходе на сверхкритический режим обтекания отрыв пограничного слоя, вызванный неблаприятным градиентом давления в хвостовой части полупрофиля, переходит в отрыв из-под

Область отрыва пограничного слоя на полупрофиле

С параллельной системои_ генераторов І их pea  jcr/b = 0,5-, br/b=0J33

без генераторов вихрей

Фиг. 4

Лвложение сначна уплотнения

і С параллельной си с тема а генераторов вихрей хГ/Ь- 0,5 -}ЬГ/Ь=03133^

1; г —' ——

1 Без генераторов вахрей С ваффдаарной системой генераторов вахрей xr/b= 0JS6-, Ъг/Ъ= 0J5S

г

05\

if

OJ

V

Фиг. 5

скачка уплотнения. На модели с параллельной системой генераторов вихрей при докритическом режиме обтекания отрыв практически ликвидирован, а на сверхкритических режимах обтекания при Мот>0,82 сведен к локальному отрыву, имеющему протяженность порядка 0,1 Ь.

В результате подавления отрыва происходит восстановление обтекания полупрофиля и связанное с этим смещение скачка уплотнения к задней кромке, причем это смещение меняется по числам М. В диапазоне чисел Моо(Мкр <Моо <0,75-^0,80), когда при наличии скачка отрыв происходит вблизи задней кромки полупрофиля, т. е. не в области скачка, генераторы вихрей, подавляющие отрыв,

оказывают слабое влияние на положение скачка уплотнения. При отрыве пограничного слоя из-под скачка установка генераторов вихрей существенно сказывается на положении скачка. Так, при числах Moo==0,8-f-l параллельная система генераторов вихрей смещает скачок уплотнения к задней кромке приблизительно на 10% хорды полупрофиля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Pearcey Н. Н. Shock-induced separation and its prevention by design and boundary layer control. .Boundary layer and flow control". Ed. by Q. V. Lachmann, v. 2, 1962.

2. Brown A. C., N a w г о с k i H. F., P a 1 e у P. N. Subsonic diffusers designed integrally with vortex generatos. Journal of aircraft, No 3, V—VI,

1968.

Рукопись поступила 10jl 1972 г.