Периодическая структура течения и теплопередачи в области присоединения сверхзвуковых потоков

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том X 1979

№ 2

УДК 532.526.5

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ОБЛАСТИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ ПОТОКОВ

В. Н. Бражко

Проведено исследование течения и теплопередачи на пластине в области присоединения пограничного слоя, отрыв которого происходит под действием скачка уплотнения, индуцированного клином, расположенным над пластиной. Эксперименты выполнены при числах Мю = 5 и 6 и Ие^ — (1,2 -г- 15)-106. Показано, что трехмерные особенности в области присоединения наиболее ярко выражены в теплопередаче, а отношение средней длины волны поперечных возмущений течения и теплопередачи к условной толщине невозмущенного турбулентного пограничного слоя в этой области примерно постоянно и составляет '1,6.

1. В последнее время в ряде работ [1 — 5] были получены данные, свидетельствующие о существенных трехмерных эффектах, вызывающих периодические изменения давления, трения и теплопередачи поперек зоны присоединения номинально двумерною (ламинарного или турбулентного) отрывного течения. Предполагается, что периодичность эта вызвана наличием в присоединяющемся пограничном слое или образованием в области присоединения продольных вихрей типа вихрей Тэйлора - Гертлера.

Предыдущие исследования [3] показали существование поперечной периодичности теплопередачи в области присоединения за плоским или осесимметричным уступом при числе Мсо = 6. Отношение максимального коэффициента теплопередачи в локальной области повышенных значений тепловых потоков к минимальному в соседней области пониженных значений составляло 1,5—5,0 в зависимости от условий обтекания и формы модели.

В настоящей работе ставилась задача исследования при числах Мм = 5 и 6 трехмерных особенностей течения и теплопередачи на пластине в области присоединения пограничного слоя, оторвавшегося под действием падающего скачка уплотнения. Для этого производилась визуализация течения на поверхности (спектры предельных линий тока) и над поверхностью пластины (метод лазерного ножа). Особое внимание было обращено на подробное исследование теплопередачи и измерение длины волны поперечных возмущений течения в области присоединения.

2. Исследуется отрыв пограничного слоя под действием падающего скачка уплотнения, индуцированного клином, который расположен над пластиной с острой передней кромкой, как показано на рис. 1. Эксперименты выполнены при значениях числа Мю = 5 и 6, числа Ие* = (1,2 -+- 15) • 105 и фиксированном угле клина, равном 15°. Число 1?е^ рассчитывалось по параметрам невозмущенного потока и расстоянию от передней кромки до места геометрического пере-

8—.Ученые записки* № 2

113

сечения падающего скачка с поверхностью пластины I. Данные по теплопередаче к пластине получены методом термоиндикаторных покрытий, который в этом случае оказался чрезвычайно полезным.

На рис. 2 показана теневая картина обтекания модели, полученная при числе — б и числе Ие/== 4,6-105, и соответствующее распределение тепловых потоков на пластине в области присоединения оторвавшегося пограничного слоя. Хорошо видны отдельные продольные полосы плавления термоиндикатора, что указывает на существенно трехмерный характер распределения тепловых потоков в этой области. Фотографии теневых картин обтекания моделей (рис. 2) показали, что в зависимости от условий эксперимента оторвавшийся пограничный слой находился в ламинарном или переходном состоянии.

Спектры предельных линий тока, полученные при числе = 5 методом размываемых точек [6] на поверхности пластины в области присоединения для

значений / = 50, 105 и 150 мм, показаны на рис. 3. Здесь также видны чередующиеся в поперечном направлении области растекания и линии стекания. Областям сильного растекания и соответствуют локальные области повышенных значений коэффициентов теплопередачи. В качестве длины волны поперечных

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

возмущений течения в области присоединения X принято расстояние между серединами рядом расположенных областей интенсивной теплопередачи (см. рис. 2). По приведенным картинам видно, что в поперечном направлении X несколько изменяется. Поэтому далее будет рассматриваться средняя длина волны возмущений X. Спектры предельных линий тока показывают (см. рис. 3), что с увеличением расстояния от передней кромки до места падения скачка уплотнения X растет.

Визуализация течения над поверхностью пластины методом лазерного ножа [7] в сечении А —А (см. рис. 1), проходящем за областью присоединения (х// = 1,44), дает картину, которая, приведена на рис. 4. Получена она при I— 105 мм и тех же условиях обтекания, что и предельные линии тока. Фотосъемка производилась со стороны задней кромки пластины. Белая полоса на

Рис. 4

поверхности пластины является засветкой от световой плоскости ножа. Видно, что непосредственно над этой полосой расположен ряд перемежающихся светлых 1 и темных 2 областей, которые являются областями с различными плотностями газа. Высота этих областей составляет около 5 расчетных толщин невозмущенного ламинарного пограничного слоя на пластине в этом месте.

3. На рис. 5 представлен график, показывающий распределение коэффи-^ <7

циентов теплопередачи С/, = ^------ —т^г в продольных сечениях, прохо-

, Рос “со 11 о — ' к>)

дящих через середину локальной полосы повышенных значений коэффициентов теплопередачи (сечение 1—1, рис. 2) и через рядом расположенную область пониженных значений С/, (сечение 11—И). График показывает, что в сечении 1—1 величина СЛ ^ в 12 раз превосходит соответствующее расчетное значение

коэффициента теплопередачи для условий невозмущенного ламинарного пограничного слоя на пластине (кривая /), а з сечении II- //—в 5 раз. Данные о влиянии числа Ие/ на распределение коэффициентов теплопередачи в сечении 1—1 показаны на рис. 6. Увеличение числа Ре; приводит к снижению величины

Си и уменьшению продольной длины области повышенных значений коэффи-гетах

циентов теплопередачи. Пик теплопередачи при этом приближается к месту падения скачка уплотнения.

Поперечное распределение относительных величин коэффициентов теплопередачи в сечении 111— III, проходящем через точки, соответствующие Сйтах в области присоединения (см рис. 2), приведено на рис. 7. Измеренные значения коэффициентов теплопередачи отнесены к расчетному значению С/, для ламинарного пограничного слоя на пластине в точке, где проходит рассматриваемое сечение. График показывает, что при фиксированном I относительный уровень теплопередачи в области присоединения с ростом числа Ие; увеличивается, а длина волны возмущений А уменьшается Видно, кроме того, что поперечное распределение теплопередачи имеет неравномерный характер как по длине волны возмущений А, что отмечалось уже выше, так и по величинам

15 г

Cj,*103

10

/

А

.

\ М^-6; Щ 4.2* 10,

! V 1=30'мм

Г V • сечение 1-І

I \ ° Л-1

I \

1 г"\.

20 30 40 50 х, мм

Рис. 5 •

«Г ,

0,Х W5

Мж=б, I =30мм ° Нег -1,2  10{

л г? чо*

° 9,Ь-105

2,МП

Рис. 7

коэффициентов теплопередачи. Неравномерность эта достаточно точно повторяется при повторных экспериментах, что свидетельствует о стационарности исследуемого явления.

4. На рис. 8, а приведена зависимость средней длины волны поперечных возмущений А в области присоединения от чисел Мдо и Re/ и расстояния от передней кромки пластины до места падения скачка уплотнения I. Видно, что при / = const увеличение числа Re/ примерно до 5-Ш5 приводит к уменьшению А, затем происходит стабилизация длины волны возмущений. Увеличение I при Re/ = const приводит к возрастанию А. Если построить зависимость А/Л8 от числа Re/, как показано на рис. 8, б, то все результаты хорошо ложатся около одной осредняющей кривой, вне зависимости от /, числа и состояния оторвавшегося пограничного слоя. В связи с этим длина волны А была отнесена к толщине турбулентного пограничного слоя о, начало которого условно расположено на передней кромке пластины.

Видно, что в исследованном диапазоне

Рис. 8

чисел и Йе* (рис. 8, в) отношение Х/5 примерно постоянно и составляет 1,6. Толщина невозмущенного турбулентного пограничного слоя в месте падения скачка уплотнения рассчитывалась как для несжимаемой жидкости.

В заключение следует отметить, что результаты настоящего исследования показывают, что при числах Мм = 5 и 6 трехмерные особенности в области присоединения номинально двумерного потока очень ярко выражены в течении и особенно для распределения тепловых потоков. Большой пространственный размер возмущений течения за областью присоединения требует более строгого обоснования гипотезы о связи этих возмущений с вихрями типа Тэйлора — Гертлера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жину Д. Система вихрей вниз по течению от места повторного присоединения высокоскоростных потоков: приближенное

решение. „Ракетная техника и космонавтика", т. 9, № 4, 1971.

2. Рошко А., Томке Г. Наблюдение присоединения оторвавшегося турбулентного слоя за осесимметричным уступом в сверхзвуковом потоке. .Ракетная техника и космонавтика", т. 4, № 6, 1966.

3. Бражко В. Н. Экспериментальное исследование геометрии отрывного течения и теплопередачи за осесимметричным уступом. Труды ЦАГИ, вып. 1493, 1973.

4. Глотов Г. Ф., Мороз Э. К. Продольные вихри в сверхзвуковых течениях с отрывными зонами. .Ученые записки ЦАГИ", № 4, 1977.

5. Лага нелли, Нестле р. Рельефные узоры на поверхности аблирующих материалов. Экспериментальное исследование. „Ракетная техника и космонавтика*, т. 7. № 7, 1969.

6. Б р а ж к о В. Н. Способ визуализации линий тока на поверх-

ности моделей в аэродинамических трубах. Труды ЦАГИ, вып. 1749, 1976. ' “ '

7. Боровой В. Я., Иванов В. В., Орлов А. А., Харченко В. Н. Визуализация пространственного обтекания моделей с помощью лазерного ножа. „Ученые записки ЦАГИ*, т. 4, № 5, 1973.

Рукопись поступила 20/ VI 1978 г.