Исследование трехмерного спутного течения за цилиндром конечного удлинения Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

ТомИ 1971 №6

УДК. 532.526.048.3 532.525.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО СПУТНОГО ТЕЧЕНИЯ ЗА ЦИЛИНДРОМ КОНЕЧНОГО УДЛИНЕНИЯ

Л, Н. Уханова

Приведены результаты экспериментального исследования трехмерных турбулентных следов за поперечно обтекаемыми цилиндрами конечного удлинения Х = 5-4-22 при значении числа Ие=(6,3-н42)-103. Показано, что затухание трехмерных следов вдоль по потоку сопровождается деформацией как линий равных осредненных и пульса-ционных скоростей, так и линий равных значений коэффициентов пространственной корреляции.

Трехмерные турбулентные следы за поперечно обтекаемыми цилиндрами конечного размаха до сих пор в литературе практически не рассматривались. Известны только некоторые данные [1] о влиянии удлинения на коэффициент сопротивления круглого цилиндра, из которых видно, что коэффициент сопротивления цилиндра конечного удлинения, отнесенный к значению коэффициента сопротивления такого же участка длины цилиндра бесконечного размаха, снижается с уменьшением размаха.

Ниже представлены экспериментальные данные об осредненных и пульса-ционных параметрах спутного течения за поперечно обтекаемыми цилиндрами с удлинением \ = 11й = 5; 6,1; 20 и 22 на расстояниях от оси цилиндра вдоль течения 2<!л:/йС 160. Эксперименты проводились в трубах замкнутого типа с открытой рабочей частью. Цилиндр жестко закреплялся перпендикулярно набегающему потоку во входном сечении рабочей части трубы при помощи проволочных растяжек, которые пропускались через сквозные отверстия на расстояниях 0,5—1,5 диаметра от концов цилиндра. Торцы цилиндров плоские, перпендикулярные оси цилиндра. Числа Рейнольдса, подсчитанные но диаметру цилиндра и скорости набегающего потока, составляли Ие =(6,3-ь 42)-Юз.

Первоначально при помощи трубки Пито были измерены профили средних скоростей в различных поперечных сечениях следа за цилиндрами с Х = 6,1 (о! = 18 мм) и 22(й = 5 мм) при скорости набегающего потока = 33 м/сек. Эксперимент был поставлен в трубе с круглым выходным сечением, диаметр которого равен 440 мм. Длина рабочей части трубы составляла 1200 мм.

Полученные распределения осредненных скоростей в поперечных сечениях следа, отстоящих от оси цилиндра на расстоянии от 2 до 160 диаметров, позволили построить в этих сечениях линии равных скоростей — изотахи. По форме изотах изучались особенности структуры спутного течения.

Уже на небольших удалениях от цилиндра, сравнимых с величиной его размаха, полностью вырождается та центральная область спутного течения, где его еще можно рассматривать как плоское. К концу этого участка изотахи приобретают овальную форму. Дальше вниз по потоку наблюдается изменение формы изотах от овальной к круглой. Причем первоначально эта тенденция наблюдается у внутренних изотах, когда внешние остаются еще овальными. При даль-

нейшем перемещении вниз по течению это перестроение охватывает и внешние язотахи. В то время как внешние изотахи изменяются от овальных к круглым, круглые изотахи внутри следа вновь преобразуются в овальные, но уже с большой осью, перпендикулярной оси цилиндра, тогда как первоначально большая ось овала была направлена параллельно оси цилиндра.

Это перестроение наблюдалось на участках следа протяженностью в 2—3 длины за цилиндром с X = 6,1 ив 4—5 длин за цилиндром с X = 22 (фиг. 1 и 2). Естественно, что на таких больших удалениях от цилиндра неравномерность скорости в следе уменьшается и могут быть получены лишь изотахи, соответствующие небольшим дефектам скорости.

Фиг. 1

Выявленные таким образом особенности структуры пространственного спут-ного течения за цилиндрами конечного удлинения подтвердились и при проведении второй серии измерений — при исследовании микроструктуры трехмерных •следов. Эти измерения были выполнены при помощи термоанемометра постоянной температуры. За цилиндрами с X = 5 (й = 6 мм) и 20 (й = 3 мм) при скорости набегающего потока исо = 15 и 30 м/сек соответственно в двух поперечных сечениях следа лг/сГ = 5 и 20 были измерены распределения средней скорости и=и!исо, интенсивности трех составляющих пульсационной скорости еи, е*, и и коэффициента пространственной корреляции между продольными пульсациями скорости /?ии.

Эти измерения были проведены в трубе с квадратным выходным сечением 150 X 150 мм и длиной рабочей части 250 мм. Использовались однониточные и крестообразные термонасадки, изготовленные из платиновой нити диаметром 8 мкм. Длина рабочей части насадков составляла приблизительно 1,6 мм.

Полученные при помощи крестообразного термонасадка распределения •осредненных и пульсационных скоростей в указанных поперечных сечениях ■следа позволили построить как изотахи, так и линии равных значений интенсивности пульсационных скоростей.

Измерения средней скорости, интенсивности трех компонентов пульсацион-ной скорости и коэффициентов двухточечной корреляции в следе за .полубес-конечным" цилиндром, жестко закрепленным за пределами рабочей части трубы, показали, что вблизи торца цилиндра след развивался так же, как и в случаях, когда цилиндр закреплялся с помощью проволочных расчалок, т. е проволочные расчалки не оказывали сколько-нибудь заметного влияния на развитие следа.

Представленные на фиг. 3 экспериментальные данные показывают, что отмеченную выше деформацию в трехмерном турбулентном следе за цилиндром конечного удлинения претерпевает не только поле средних, но и поле пульсационных скоростей.

При помощи двух однониточных термонасадков в выбранных поперечных сечениях следа были проведены измерения распределений коэффициентов пространственной корреляции между продольными пульсациями скорости в окрестности нескольких базисных точек, в которых неподвижно закреплялся один из насадков. Второй насадок мог свободно перемещаться по двум перпендикулярным направлениям в пределах плоскости рассматриваемого сечения. При этом однониточные термонасадки размещались в следе таким образом, что их нити были параллельны оси цилиндра [2].

Распределения коэффициента корреляции между продольными пульсациями скорости были получены при перемещении подвижного термонасадка от базисной точки вдоль оси у, а также при перемещении его по осям, параллельным

----x/d=s -------------ґ/d- 20

Фиг. З

ffe=fij flfs.g/d=//, z/d=0 x/d=S x/d =20

оси у, но смещенным в каждом отдельном случае от базисной точки на Дг = d/2; d; 3rf/2 и т. д. (Начало координат и направление координатных осей приведены на фиг. 1 и 2.) Таким образом, для каждой базисной точки были получены семейства корреляционных кривых.

По результатам этих измерений были построены изокорреляты — линии равных значений коэффициента корреляции, которые позволяют получить представление о поперечных масштабах турбулентных молей в изучаемых трехмерных следах, о конфигурации этих молей, об их деформации вдоль течения. Часть этих данных, относящаяся к трехмерному следу за цилиндром с Х = 20, представлена на фиг. 4 и 5. На фиг. 4 изображены изокорреляты в окрестности двух базисных точек на оси трехмерного следа, имеющих координаты х = Ъй, у = 0, z = 0 и х — 20 d, у — Q, 2 = 0. На фиг. 4 даны также аналогичные распределения иЗокоррелят в окрестности соответствующих базисных точек плоского следа за цилиндром того же диаметра, но бесконечного размаха (к — оо). На фиг. 5 представлено распределение изокоррелят в трехмерном следе в окрестности базисных точек с координатами x = 5d, у = 0, z = 5d и x=20d, = 0,

z = 5d, т. е. смещенных от оси следа вдоль образующей цилиндра на четверть его длины.

Полученные распределения изокоррелят показывают, что по мере удаления от цилиндра вниз по потоку в поперечных сечениях трехмерного следа происходит деформация изокоррелят в соответствии с отмеченной выше деформацией изотах. В плоском следе (см. фиг. 4) подобной деформации изокоррелят не наблюдается.

В заключение интересно отметить, что при экспериментальном исследовании затопленных турбулентных струй, истекающих из прямоугольных отверстий различного удлинения [3], получены данные о деформации изотах, аналогичные изложенным здесь результатам.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гольдштейн С. Современное состояние гидроаэродинамики вязкой жидкости, Т. II. М., Изд. иностр. лит., 1948.

2. У х а н о в а Л. Н. Статистические характеристики плоского турбулентного следа на небольшом расстоянии от цилиндра. В сб. „Промышленная аэродинамика", вып. 27. М., „Машиностроение", 1966.

3. Sforza. P., Trentacoste N. Further experimental results for three-dimensional free jets. AIAA J., vol. 5, No 5, 1967.

Рукопись поступила 20JIV 1971 г.

7—Ученые записки № 6