CC BY
52
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Том XXIV 1 993 М 2
УДК 533.6.071.082 : 532.526 532.526.3
УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ЛАМИНАРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ
ОБЛУЧЕНИИ
И. А. Белов, В. М. Литвинов, Г. П. Свищев
Приведены результаты экспериментального исследования влияния акустических возмущений на процесс генерации и развития в пограничном слое неустойчивых колебаний — волн Толмина—Шлихтинга. Исследован нетрадиционный способ управления амплитудой этих колебаний с помощью локального изменения геометрии обтекаемой поверхности. Показано, что отрицательное воздействие звука на пульсационные характеристики течения может быть значительно снижено путем установки на поверхности двумерной локальной неровности малой высоты. Испытания проведены на модели плоской пластины в диапазоне чисел Рейнольдса
0,7 ■ 10е —2,1 ■ 106.
Разработка и исследование различных способов управления состоянием ламинарного пограничного слоя необходимы для решения задачи ламинаризации обтекания летательных аппаратов. В настоящее время считается, что переход течения из ламинарного состояния в турбулентное на безотрывно обтекаемом крыле малой стреловидности может быть обусловлен возникновением и развитием в пограничном слое колебаний — волн Толмина—Шлихтинга. В связи с этим разработан ряд методов, позволяющих замедлить нарастание амплитуды этих волн, например, путем отсоса воздуха из пограничного слоя, общего охлаждения поверхности или нагрева небольшого участка обшивки крыла вблизи передней кромки [1—6]. Один из способов подавления волн Толмина—Шлихтинга с использованием акустического воздействия на пограничный слой с помощью возбуждения в пограничном слое искусственной волны в противофазе к естественной [7—17] был сформулирован Г. П. Свищевым для общего случая градиентного течения на крыловых профилях [14]. В дальнейшем было показано, что воздействие звука на пограничный слой приводит к возбуждению волн Толмина—Шлихтинга не только на естественной локальной неоднородности течения в окрестности передней кромки 118, 19], но и для локальных неровностей обтекаемой поверхности, которые могут быть специально созданы для возбуждения искусственной волны, используемой для ослабления пульсаций скорости в пограничном слое [15—22].
Цель настоящей работы заключалась в дальнейшем исследовании возможности управления пульсационными характеристиками дозвукового пограничного слоя в условиях внешнего акустического облучения с помощью локального изменения геометрии обтекаемой поверхности.
1. Экспериментальные исследования проводились в дозвуковой аэродинамической трубе диаметром 1,2 м с открытой рабочей частью в диапазоне скоростей 10—30 м/с со степенью турбулентности набегающего потока ~0,3%. В качестве модели использовалась плоская металлическая пластина с длиной хорды 1 м, размахом 0,5 м и толщиной 0,02 м. Полуэллиптический носок модели имел длину 0,25 м с соотношением полуосей на верхней части 1 : 32. Для формирования над пластиной плоского течения модель была снабжена боковыми ограничительными шайбами.
На рис. 1 приведена принципиальная схема эксперимента. Источником акустических возмущений служил динамик ГД-50, установленный вне потока на расстоянии 0,7 м от поверхности модели. Угол падения звуковой волны на поверхность составлял 24°. Сигнал на датчик подавался от генератора ГЗ-ЗЗ через усилитель, а частота измерялась с помощью частотомера 43-33. Имелась возможность регулирования величины звукового давления в диапазоне 115— 128 дБ, однако основные исследования были проведены при уровне звукового давления, равном 128 дБ.
Уровень собственных акустических шумов в аэродинамической трубе не превышал 92 дБ. ,
Для измерения параметров пограничного слоя использовалась термоанемометрическая аппаратура и анализатор спектра СКЧ-72. Измерялись относительные среднеквадратичные пульсации продольной составляющей скорости, как интегральные по всему спектру частот
г = X 100%, так и на определенной частоте
оо со
ХЮ0%> соответствующей центральной частоте волнового пакета возмущений в пограничном слое.
Методика экспериментальных исследований заключалась в следующем. На одной из фиксированных скоростей набегающего потока
Рис. 1. Принципиальная схема эксперимента:
/—модель; 2—- выступ; 3—датчик термоанемометра; 4— динамик; 5—усилитель; 6—генератор; 7—частотомер; 8— термоанемометрическая аппаратура; 9—анализатор спектра; 10—осциллограф
£/со=Ю, 20 или 30 м/с модель подвергалась звуковому облучению в диапазоне изменения частоты звука 50-ь 1000 Гц. На заданном скоростном режиме обтекания модели определялась чувствительность ламинарного пограничного слоя к воздействию звука. Измерялась величина амплитуды Л/ спектральной составляющей пульсаций скорости с помощью датчика термоанемометра, расположенного в контрольной точке пограничного слоя (х — 655 мм, (/ = 0,25 мм, 2 = 250 мм).
Эксперименты подтвердили избирательную реакцию пограничного слоя на акустическое воздействие и позволили определить частоты акустических возмущений, способствующих возбуждению в пограничном слое наиболее интенсивных волн Толмина—Шлихтинга. Было установлено, что при скорости потока 10 м/с волны Толмина—Шлихтинга возникали при облучении модели звуком частотой 110-ь 130 Гц. Увеличение скорости потока до 20—30 м/с приводило к смещению чувствительности пограничного слоя в сторону более высоких частот звука (300-Т-800 Гц). Безразмерный частотный параметр Р изменялся при
этом в пределах от 10 7-10"6 до 7 8-Ю~в(Ь' — 2~, где V — коэффи-
^ со
циент кинематической вязкости). Необходимо отметить, что указанные диапазоны частот звука в зависимости от режима обтекания соответствовали частотам неустойчивых волн Толмина—Шлихтинга, возникающих в пограничном слое и в отсутствии звукового облучения. Эффективное преобразование акустических возмущений в волны пограничного слоя, как было установлено в работах [17—20], происходит на локальных неоднородностях течения, к которым относится, в частности, и окрестность передней кромки модели. Возникающую на передней кромке волну будем называть исходной или естественной волной.
Для возбуждения искусственной волны Толмина—Шлихтинга на обтекаемую поверхность модели помещалась неровность в виде двумерного выступа малой высоты по сравнению с толщиной пограничного слоя (йв/б^ОД). В качестве выступа использовалась проволока различного диаметра от 0,1 мм до 0,75 мм, а также синтетическая липкая лента шириной 19 мм и толщиной 0,05 мм. Имелась возможность дискретного перемещения выступа вдоль по потоку путем его переклеивания.
При облучении модели звуком за двумерной неровностью возникала волна Толмина—Шлихтинга, начальная амплитуда которой зависела от высоты неровности, а фаза — от положения неровности относительно передней кромки носка модели. С помощью этой волны осуществлялось воздействие на пульсационную составляющую скорости и, в частности, на возмущения, обусловленные исходной волной Толмина—Шлихтинга, распространяющейся от передней кромки носка. Амплитуда и фаза волн измерялись на достаточно удаленных от носка пластины сечениях (х>400 мм), где составляющая сигнала от акустических возмущений была относительно небольшой.
2. На рис. 2 проиллюстрировано изменение амплитуды пульсаций А( при дискретном перемещении вниз по потоку неровности высотой 0,4 мм (кривая — 3). Измерения проводились в контрольной точке (*=655 мм, (/ = 0,25 мм, 2 = 250 мм) при скорости потока 10 м/с и частоте звукового облучения модели 114 Гц. Представленная зависимость имеет ярко выраженный периодический характер, обусловленный суперпозицией естественной волны, имеющей в контрольной точке постоянную фазу и амплитуду (уровень амплитуды отмечен на рис. 2
Рис. 2. Изменение амплитуды возмущений при суперпозиции естественной и искусственной волн с облучением (/, 3, 4) и без облучения (2) звуком:
1,2 — Лв = 0; 3 — Ла = 0,4 мм; 4 — Лв = 0,27 мм
сплошной линией / и равен 0,18%), и искусственной волны, фаза и амплитуда которой менялась при смещении неровности относительно носка. В случае совпадения фаз естественной и искусственной волн происходило сложение амплитуд и суммарная амплитуда достигала при этом максимального уровня. При сдвиге фаз на 180° результирующая амплитуда достигала минимальных значений, наименьшее значение из которых (Л/ = 0,03%) наблюдалось при хв=126 мм и было близко к уровню Л/, измеренному в отсутствии звукового облучения (на рис. 2 — штрихпунктирная прямая 2).
Для задачи управления ламинарным обтеканием наиболее интересным является наблюдаемый в эксперименте факт сильного ослабления пульсаций, которое можно достичь путем подбора фазовых и амплитудных параметров распространяющихся в пограничном слое волн Толмина—Шлихтинга. Исследования показали, что в случае использования выступа меньшей высоты (/гв = 0,27 мм) минимальные значения Л/ также достигаются, но при других положениях выступа л'в=189 мм и 387 мм относительно носка модели (см. рис. 2, кривая 4). В то же время при расположении выступа на достаточно большом расстоянии от носка (хв>500 мм), где его относительная высота /гв/б не превышает 0,07, влияние выступа на амплитуду исходной волны становится незначительным. Заметим также, что периодический характер изменения амплитуды Л/ суммарной волны при смещении выступа вниз по потоку позволяет определить длину волны по расстоянию
между ближайшими максимумами (или минимумами) этой зависимости. При скорости потока 10 м/с длина волны составляла 34 мм и ее значение соответствовало измерениям, проведенным в отсутствии выступа.
Как показывает анализ приведенных на рис. 2 данных, при расположении неровности в одном из множества сечений, в которых сдвиг фаз искусственной и естественной волн составляет 180°, возможно полное взаимное ослабление этих волн. Однако высота неровности при этом в зависимости от местоположения должна быть специально подобрана для обеспечения равенства амплитуд искусственной и исходной волн Толмина—Шлихтинга. На рис. 3, а для примера приведена обобщенная связь между высотой неровности и координатой ее установки на обтекаемой поверхности, при которых обеспечивалась полная взаимная компенсация колебаний исходной и искусственной волн. Из рис. 3, а видно, что требуемая для гашения исходной волны высота неровности уменьшается при смещении неровности от носка модели до сечения х = 280 мм, где потребная величина неровности достигает минимального значения, а далее вниз по потоку за этим сечением высота неровности увеличивается. Это связано со своеобразием изменения амплитуды естественной волны. Согласно работе [18] эта волна имеет максимальную амплитуду в области передней кромки. Далее, по мере движения вниз по потоку, происходит уменьшение ее амплитуды и, следовательно, для ее гашения необходима искусственная волна с меньшей амплитудой, что достигается за счет уменьшения высоты неровности. За точкой х = 280 мм течение в пограничном слое теряет устойчивость к возмущениям заданной частоты 114 Гц и амплитуда
Рис. 3
а) — Измененне высоты неровности, требуемой для гашения естественной волны, от координаты ее установки;
б) — Зависимость амплитуды волны Толмина—
Шлихтинга от интенсивности звука: /—естественная волна; 2—при суперпозиции естественной и искусственной волн (режим гашения)
естественной волны при этом нарастает, а потребная для гашения этой волны высота неровности по мере смещения вниз по потоку должна увеличиваться. Как следует из рис. 3, а, при фиксированной высоте неровности можно погасить исходную волну при расположении неровности в одном из двух сечений (до или после точки потери устойчивости), в которых колебания волн происходят в противофазе, а амплитуды одинаковы.
Необходимо отметить высокую стабильность процесса ослабления пульсаций скорости в пограничном слое, что объясняется когерентностью акустического поля и волн Толмина—Шлихтинга, возникающих под действием этого поля. Таким образом, получается, что в отличие от традиционных методов подавления пульсаций скорости (вдув—отсос, вибрирующая ленточка, периодический нагрев и др.) функции системы обратной связи и устройства, определяющего фазу искусственных колебаний, берет на себя сама звуковая волна. Стабильное ослабление пульсаций, наблюдаемое в эксперименте, подтверждает линейность процесса возбуждения волн Толмина—Шлихтинга, о чем свидетельствует и тот факт, что при увеличении интенсивности звука, амплитуда, например, естественной волны линейно возрастала (см. рис. 3,6, прямая /), а эффект гашения этой волны, получаемый при введении в пограничный слой неровности, не зависел от интенсивности звука (рис. 3,6, прямая 2). Проведенный анализ амплитудных, фазовых и корреляционных характеристик колебаний в пограничном слое показал, что две волны Толмина—Шлихтинга, имеющие одинаковую частоту и распространяющиеся в одном направлении, аналогичны двум гармоническим независимым колебаниям, а результирующая амплитуда Л/ и фаза таких колебаний может быть определена соответственно из формул: ...
Л^= V Л? А\ -г 2Л,Л2 соэ (ф2 - 90,
А, ф, ■)- А2 5*1 п <р2
' А, сое + Л^сов 9.) ’
Из полученных результатов эксперимента, и в частности, из факта полного взаимного гашения волн, можно сделать очевидный вывод о том, что исходная волна Толмина—Шлихтинга, генерируемая в области передней кромки модели и искусственная волна, возбуждаемая на вводимой в пограничный слой неровности, по своей природе возникновения и параметрам идентичны друг другу. Этот факт, по-видимому, наблюдается в подобных экспериментах впервые и имеет принципиальное значение при исследовании различных способов управления лами-наризацией обтекания, основанных на возбуждении искусственных возмущений в пограничном слое течения. Важно отметить, что сильное ослабление колебаний в пограничном слое с помощью формирования на обтекаемой поверхности локальной неровности наблюдалось не только в определенной (контрольной) точке течения, но и по всей толщине пограничного слоя. Этот вывод следует из результатов, представленных на рис. 4, где приведены профили амплитуды колебаний в пограничном слое, измеренные в сечении х = 655 мм, 2 = 250 мм, и соответственно этим режимам осциллограммы пульсаций скорости, снятые в том же сечении на расстоянии у = 0,25 мм от поверхности. Из приведенных на рис. 4 данных видно, что величина пульсаций скорости и профиль амплитуды Л/ сильно зависят от условий обтекания. В част-
Рис. 4. Профили возмущений и осциллограммы пульсаций скорости в пограничном слое; а) — без выступа; б) —с выступом:
1, 3, 4~с облучением звуком; 2—без облучения
ности, при акустическом облучении, установка выступа (/гв = 0,27 мм) в сечении х = 384 мм на обтекаемой поверхности приводила к значительному снижению общего уровня пульсаций, так как при указанном местоположении выступа реализовывался режим гашения исходной волны (см. рис. 4,6, кривая 4). В этом случае профиль Л/ и амплитуда пульсаций скорости оказывались близкими к соответствующим величинам, измеренным в отсутствии звукового облучения (кривая 2 на рис. 4,а). В то же время уровень пульсаций сильно возрастал,если выступ был установлен в сечении л: = 401 мм (кривая 3, рис. 4,6) так как при этом исходная и искусственная волны распространялись син-фазно и происходило общее усиление пульсаций по всему поперечному сечению пограничного слоя.
В процессе экспериментальных исследований была показана возможность управления пульсационными характеристиками течения в пограничном слое на повышенных скоростях набегающего потока 20 м/с и 30 м/с. При скорости потока 20 м/с облучение звуком осу-
Рис. 5. Изменение спектральной амплитуды возмущений (а) и интегральных пульсаций скорости (б) от положения выступа с облучением (/, 3) и без облучения (2, 4) звуком:
/. 2 - йв = 0; 3,4 - Лв = 0,27 мм
щсствлялось отдельно на частотах 335,3 Гц, 400 Гц и 460 Гц. В диапазоне указанных частот наблюдалось заметное влияние акустических возмущений на возбуждение в пограничном слое волн Толмина— Шлихтинга. На рис. 5, а, б приведены соответственно зависимости амплитуды А/ пульсаций скорости, измеренной на частоте облучения звуком, равной 335,3 Гц, и интегральных пульсаций е от положения выступа (Л„ = 0,27 мм) относительно носка модели. Из рис. 5, а видно, что характер поведения амплитуды Л/ остался таким же периодическим, как и при скорости потока 10 м/с, однако наименьшее значение величина Л/ достигала при положении выступа более близком к носку хв = 97 мм). Интегральные пульсации скорости е, измеренные в контрольной точке (л: = 531 мм, у = 025 мм, 2 = 250 мм), коррелируют с периодическим изменением амплитуды Л/. При заданной частоте возмущений— 335,3 Гц, длина волны, определенная по расстоянию между минимумами Л/, оказалась «=22,2 мм, что соответствует фазовой скорости распространения волны по потоку, равной 0,37 их.
Закономерности генерации и взаимодействия естественной и искусственной волн Толмина—-Шлихтинга сохранялись и при увеличении скорости до 30 м/с. В этих условиях использование выступа высотой йв = 0,27 мм приводило к турбулизации течения при расположении выступа вблизи носка модели (0<хв<200 мм). Это было связано, по-видимому, с тем, что относительная высота выступа в указанной области из-за уменьшения толщины пограничного слоя превышала кри-
чо
100
9)
200
ч Л
хе,ч»
Рис. 6. Изменение амплитуды возмущений при облучении (а) и без облучения (б) звуком-.
/, ^ - А = 0; 3,4 - Л„ ~ 0,17 мм
тический уровень, при котором нарушалось плавное безотрывное обтекание. Поэтому эксперимент на скорости набегающего потока, равной 30 м/с, был проведен при использовании -выступа меньшей высоты (/гв = 0,17 мм).
На рис. 6 приведена зависимость амплитуды возмущений Л/ от положения выступа высотой 0,17 мм при наличии звукового облучения (рис. 6, а) и без него (рис. 6,6). Частота акустических возмущений была равна 725,3 Гц. Измерения амплитуды Л/ проводились в контрольной точке пограничного слоя: х = 427 мм, (/ = 0,25 мм, 2 = 250 мм. Характерная длина волны, возбуждаемой при этом звуком, составляла 15 мм. Как видно из рис. 6, а, кривая Л/ носит колебательный характер, а наибольшее ослабление пульсаций достигалось при положенин выступа в сечениях хв — 184 мм и 211 мм. В отсутствии звукового облучения величина пульсаций Л/ на частоте наблюдения / = 725,3 Гц становилась при некоторых положениях выступа меньше, чем без выступа (см. рис. 6,6). Этот факт, по-видимому, свидетельствует о возможности подавления с помощью выступа и естественных возмущений, возникновение которых в данных условиях эксперимента было обусловлено повышенным уровнем турбулентности в потоке.
Таким образом, в условиях внешнего акустического воздействия на течение можно управлять величиной пульсаций скорости в пограничном слое путем формирования на обтекаемой поверхности локальной неровности в виде, например, двумерного выступа высотой на порядок меньшей толщины пограничного слоя. В процессе экспериментальных исследований наглядно показано, что при определенной относительной высоте и местоположении неровности, при которых обеспечивается равенство амплитуд и противофазность волн Толмина— Шлихтинга, стабильно реализуется режим обтекания с наименьшими пульсациями, близкими к уровню, измеренному в отсутствии акусти-
ческого облучения. Исследованный метод свидетельствует о важной роли локальных неоднородностей течения и может быть использован также для эффективного снижения отрицательного влияния акустических возмущений на течение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.—М.: Наука, 1974.
2. Качанов Ю. С., Козлов В. В., Левченко В. Я. Экспери-
ментальное исследование влияния охлаждения на устойчивость ламинарного пограничного слоя //Изв. СО АН СССР. Сер. техн. HavK.— 1974. Вып. 2, № 2. '
3. Казаков А. В., Коган М. Н., К у п а р е в В. А. Об устойчивости дозвукового погранчного слоя при нагреве поверхности плоской пластины вблизи передней кромки//Изв. АН СССР, МЖГ. — 1985, № 3.
4. Лебедев Ю. Б., Фомичев В. М. Устойчивость пограничного слоя на неравномерно нагретой охлажденной поверхности//Сб. Аэрофизика и геокосмические исследования. — 1985.
5. С т р у м и и с к и й В. В., Д о в г а л ь А. В,, Лебедев Ю. Б., Тимофеев В. А., Фомичев В. М. Теоретическое и экспериментальное исследование устойчивости пограничного слоя при неравномерном нагреве поверхности//Препринт № 3—87, ИТПМ СО АН СССР, Новосибирск. — 1987.
6. Б е л о в И. А., Казаков А. В., Коган М. Н., К у п а-рев В. А., Литвинов В. М. Устойчивость ламинарного пограничного слоя и затягивание перехода на неизотермической поверхности//Аннота-нии докладов на VI Всесоюзном съезде по теорет. и прикладной механике. Ташкент.— 1986.
7. L i е р m а n п Н. W., Nosen chuck D. М. Active control of laminar—turbulent transition//J. Fluid Mech. — 1982. Vol. 118, N'5.
8 Thomas A. S. W. The control of boundary-layer transition using a wave-superposition principle//Fluid Mech. — 1983. Vol. 137, N 12.
9. M i 11 i n g R. W. Tollmien—Schlichting wave cancellation//The Physics of Fluids. — 1981. Vol. 24, N 5.
10. Qedney C. J. The cancellation of a sound-excited Tollmient — Schlichting wave with plate vibration//The Physics of Fluids. — 1983. Vol. 26, N 5.
П. Пилипенко А. А., Шаповалов Г. К. Управление состоянием пограничного слоя путем введения искусственных возмущений//Уче-ные записки ЦАГИ. — 1986. Т. 18, № 4.
12. Белов И. А., Литвинов В. М., С в и щ е в Г. П. Экспериментальное исследование возможности гашения волны Толмина—Шлихтинга путем введения в пограничный слой искусственных возмущений//Ученые записки ЦАГИ. — 1990. Т. 21, № 2.
13. Б а р д а х а н о в С. П., Д о в г а л ь А. В., Качанов Ю. С., Козлов В. В., Свищев Г. П., Симонов О. А., Щербаков В. А. Акустическое управление развитием возмущений в пограничном слое// Ученые записки ЦАГИ. — 1986. Т. 17, № 1.
14. Е р м о л а е в В. П., К и р и н о в Ю. В., Озеров В. Н., С в и-ш, е в Г. П., Фомин В. М., Шуров А, А. Управление развитием возмущений в пограничном слое//Ученые записки ЦАГИ.— 1990. Том 21, № 1.
15. Рубан А. И. О генерации волн Толмина—Шлихтинга зву-ком//Изв. АН СССР, МЖГ. — 1984. № 5.
16. Мануйлович С. В. О возможности подавления волн Толмина—Шлихтинга, генерируемых звуком//Докл. АН СССР.— 1990. Т. 313, № 2.
17. К о с о р ы г и и В. С., Поляков Н. Ф. Автодеструкция неустойчивых волн ламинарного пограничного слоя//Препринт № 11—90, ИТПМ СО АН СССР, Новосибирск. — 1990.
18. Качанов Ю. С., Козлов В. В., Левченко В. Я. Генерация и развитие возмущений малой амплитуды в ламинарном пограничном слое при наличии акустического поля//Изв. СО АН СССР, сер. технич. наук. — 1975. № 13, вып. 3.
- 19. Качанов Ю. С., Козлов В В., Левченко В. Я. Возникновение турбулентности в пограничном слое. — Новосибирск: Наука, 1982.
20. Айзин Л. Б., Поляков Н. Ф. Генерация волны Толмина— Шлихтинга звуком на отдельной неровности поверхности, обтекаемой по-током//Препринт № 17, ИТПМ СО АН СССР, Новосибирск.— 1979.
21. Довгаль А. В., Козлов В. В., Симонов О. А. Возбуждение звуком колебаний пограничного слоя на скользящем крыле//Ученые записки ЦАГИ. — 1989. Т. 20, № 6.
22. Белов И. А., Литвинов В. М., МануйловичС. В. Об одном методе ламинаризации пограничного слоя, подверженного акустическому воздействию//Тезисы докладов ежегодной школы-семинара ЦАГИ «Механика жидкости и газа».— 1991.
«
Рукопись поступила 15/УШ 1991
