CC BY
35
________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГ И
То м IV 1 9 7 3 _
М 1
УДК 532.526 : 533.694.71.72 532.526.5 ;• '
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЧЕНИЯ ПРИ ВДУВЕ ИНОРОДНОГО ГАЗА МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
Н. О. Мятковский, А. А. Орлов, В. Н. Харченко
Приведены результаты экспериментального иесте(оваиия при малых скоростях потока{~1 м/сек) течений на пластине и в областях отрыва при вдуве гелия « фреона через проницаемую поверхность. Получены данные о режимах течения и распределения плотности в пограничном слое на пластине, а также о форме областей отрыва и характере течения в них.
Применение лазерной интерферометрии при исследовании течений газа с градиентами оптической плотности позволяет получить качественную картину обтекания тел, а также в ряде случаев количественные данные о распределении параметров потока.
В настоящей статье на некоторых конкретных примерах Иллюстрируются возможности лазерной интерферометрии при малых скоростях потока (~1 м/сек). Исследовались течения на пластине и в областях отрыва при вдуве инородных газов через проницаемую поверхность. Ранее аналогичная методика была использована в работе В. М.Ерошенко и др.*
Вдув инородных газов позволяет создать градиенты 'оптической плотности в исследуемом течении и в сочетании с интерферометрией визуализировать картину течения. Кроме того, исследование течений с вдувом инородных газов представляет большой самостоятельный интерес в связи с проблемами тепловой защиты поверхности от воздействия высоких конвективных или радиационных тепловых потоков.
Эксперименты были проведены в аэродинамической трубе, рабочая часть которой имела прямоугольное сечение шириной 150 мм и высотой 200 мм. В средней части (по высоте трубы) устанавливалась модель.
В качестве источника света использован газовый лазер непрерывного излучения ЛГ-75 мощностью' 25 мет и длиной волны А. =6328 А. С помощью оптической системы пучок света от лазера расширялся до диаметра 200 мм. Далее пучок света проходил через интерферометр типа Маха—Цандера с размером поля 80X100 мм и рабочую' часть трубы, в которой была установлена модель. Интерференционная картина течения фиксировалась на пленке фото- или кинокамеры. Модель представляла собой полый клин шириной 150 мм (во всю ширину рабочей части трубы), верхняя поверхность которого была выполнена из проницаемого материала толщиной 1,5 мм. Проницаемый материал был спечен
* Е р о ш е и к о В.' М., Ермаков А. Л., Климов, А. А., М о т у л е-вич В. П.; Терентьев Ю. Н. Экспериментальное исследование влияния интенсивного вдува различных газов на турбулентный пограничный слой. Изв. АН СССР, МЖГ, 1971, № 1.
9 — Ученые записки ЦАГИ № 1
115
из порошка нихрома, пористость материала ~30%. При исследовании течений в областях отрыва за уступом, перед уступом и в выемке между уступами на верхнюю проницаемую поверхность модели устанавливались сплошные накладки в виде клиньев. Высота уступов была равна 20 мм. Вдув осуществлялся только через проницаемую поверхность на дне области отрыва. Проницаемая поверхность под накладками при этом покрывалась полистирольным лаком, что полностью исключало возможность вдува через эту поверхность.
.
а
./
..6
Фиг. 1
В качестве вдуваемых газов были выбраны гелий, как один из наиболее легких газов, и фреон-12 — очень тяжелый газ (молекулярный вес 120,92). Вдуваемые газы подавались из баллонов с высоким давлением через редукторы, в которых их давление понижалось до такой величины, чтобы обеспечить необходимый расход. Избыточное давление газа внутри модели составляло 0,05ч-1 бар. Расход вдуваемого газа измерялся объемными расходомерами. Средняя скорость набегающего потока измерялась анемометром. При испытаниях проводилась фотосъемка или киносъемка. При испытаниях с фотосъемкой на данном режиме работы трубы в широком диапазоне изменялись расходы вдуваемых газов с фотографированием каждого варианта. Это позволило потом качественно и количественно установить влияние вдува на режим течения. Киносъемка проводилась скоростной кинокамерой с частотой съемки 2000 кадров в 1 сек. В некоторых случаях киносъемка велась с частотой 50 кадров в 1 сек. В этих случаях в одном пуске удавалось менять несколько режимов по расходу гелия и фреона. При этом наглядно демонстрировалось влияние расхода гелия и фреона на режим течения. Опыты проводились с настройкой интерферометра на вертикальные полосы или на полосы бесконечной ширины. По интерферограммам можно получить качественные данные о режиме течения в потоке, а также количественные данные о распределении плотности в потоке. Большинство опытов проведено на пластине. Для этих опытов получены некоторые количественные характеристики путем расшифровки и обработки интерферограмм. Для остальных вариантов моделей ниже приведены только качественные результаты по визуализации картины течения.
При самых низких скоростях набегающего потока, при которых велись эксперименты, течение в пограничном слое на пластине было ламинарным. Вдув гелия приводил к заметному утолщению пограничного слоя без изменения режима течения в нем.
С увеличением скорости набегающего потока устойчивость ламинарного течения в пограничном слое нарушалась и начинали появляться возмущения сначала в виде волн крупного масштаба. На фиг. 1 приведены интерферограммы опытов при скорости набегающего потока и, =0,7 м/сек и расходах гелия Щ■■= рш щ =0,01; 0,05 и 0,16% (снимки а, б и в соответственно). Видно, что
вдув гелия в этих условиях приводит к повышению устойчивости ламинарного течения и при наибольшем расходе гелия волны возмущения исчезают.
Интерферограммы получены при настройке интерферометра на полосы бесконечной ширины, и видимые на снимке полосы являются линиями постоянной плотности или постоянной концентрации вдуваемого газа в диффузионном пограничном слое. По внешнему виду диффузионного пограничного слоя можно делать заключения и о состоянии гидродинамического пограничного слоя, поскольку они в первом приближении совпадают. Для более подробных выводов о связи профилей плотности и скорости необходимы дальнейшие исследования.
Фиг. 2
При дальнейшем увеличении скорости набегающего потока на внешней границе слоя смешения вдуваемого газа и внешнего потока образуются вихри, вид которых показан на верхнем снимке фиг. 2 (снимок получен при настройке интерферометра на вертикальные полосы). Эти возмущения уже не исчезают с увеличением расхода вдуваемого гелия. При этом наблюдается характерный режим „оттеснения", когда вблизи поверхности имеется слой, состоящий почти из чистого гелия (обработка интерферограмм показывает, что концентрация гелия в этом слое превышает 95%). Типичная интерферограмма такого режима течения при настройке интерферометра па полосы бесконечной ширины приведена на нижнем снимке фиг. 2 («, = 1,5 м/сек, /иг = 0,09%).
Наконец, при еще большей скорости набегающего потока режим течения в пограничном слое становится турбулентным. Типичные интерферограммы приведены на фиг. 3 (а — щ — 1,9 м'сек, вдув гелия /иг = 0,03Н; б — иг = 1,9 м/сек, вдув фреона тф = 0,8%; в — иг = 1,1 м/сек, вдув смеси гелия и фреона, тг — 0,02%, ,Шф = 0,9%). Характерным для турбулентного течения является наличие большого числа мелкомасштабных нестационарных возмущений и ломаный характер полос на интерферограмме. В некоторых случаях время экспозиции пленки становится уже слишком большим и изображение полос на интерферограмме получается „смазанным*. В этих условиях необходимо использовать аппаратуру с меньшей экспозицией. Из интерферограммы на фиг. 3 видно, что на некотором расстоянии от передней кромки течение по всей толщине пограничного слоя является ламинарным, затем наступает переход и течение в большей по толщине части пограничного слоя становится турбулентным. Однако в тонком присте-иочном слое течение остается ламинарным и толщина ламинарного подслоя увеличивается по длине пластины.
При вдуве фреона можно заметить некоторые качественные различия по сравнению со случаями вдува гелия. Ламинарный режим течения в пограничном слое на пластине с вдувом фреона удалось получить лишь при почти нулевой скорости набегающего потока. Уже при скорости «1 з: 0,3 м/сек течение было неустойчивым при всех значениях «ф, имевших место в опытах (в этих условиях при различных расходах гелия течение было ламинарным).
Следует отметить, что утолщение пограничного слоя при больших значениях т должно приводить к появлению продольного градиента давления йр/с1х.
Фиг. 3
В проведенных экспериментах максимальное увеличение скорости ;/, на длине пластины не превышало 10%, и на данном этапе работы влияние йр/йх на характер течения в пограничном слое не исследовалось.
На фиг. 4 приведены графики распределения относительной концентрации вдуваемого газа по толщине пограничного слоя при различных режимах течения. Относительная концентрация определялась следующим образом:
а
5
В
г
д
е
где с,-, сш, с1 — концентрация вдуваемого газа в данной точке, на стенке и в набегающем потоке соответственно. Точками а, б, в на фиг. 4 обозначены профили
концентрации в ламинарном пограничном слое в сечении, расположенном на расстоянии 100 мм от передней кромки пластины при щ = 0,6 м/сек и тГ = 0,04;
0,06 и 0,2% (точки а, б, в соответственно). Видно, что в рассматриваемых условиях профили концентрации остаются автомодельными в широком диапазоне изменения величины тг. Точками г и д обозначены профили концентрации в турбулентном пограничном слое в атом же сечении при вдуве гелия а и фреона д‘ для условий, указанных на фиг. 3, а и б соответственно. Точками ей ж обозначены профили концентрации гелия по толщине слоя при условиях, указанных на нижнем снимке фиг. 2, для двух сечений, расположенных на расстоянии 50 и 100 мм от передней кромки (точки е и ж соответственно). Видно, что на некотором расстоянии от стенки величина с близка нулю, а затем резко возрастает до единицы в тонком слое смешения, где градиенты концентрации очень велики. Профили концентрации мало меняются по длине пластины..
На фиг. 5 приведены типичные интерферограммы при вдуве гелия на пластине перед уступом (а, б) и за уступом (в, г) при ламинарном (а, в) и турбулентном (б, г) режимах течения. Видно, что перед уступом и за уступом имеются области отрыва, где градиенты концентрации меньше, чем в остальной части области смешения.
На фиг. 6 приведены интерферограммы при вдуве гелия на дне выемки между уступами при ламинарном и турбулентном режимах. В этих условиях также видно, что наибольшие градиенты концентрации наблюдаются вблизи проницаемой поверхности, а также в зоне смешения набегающего потока с областью отрыва. В самой области отрыва градиенты концентрации небольшие..
На интерферограммах (б, в) видно, что перед вторым уступом образуется вихрь, вращающийся против часовой стрелки (это хорошо видно при демонстрации кинофильма). В некоторых случаях за первым уступом образуется второй вихрь, вращающийся по часовой стрелке. Размеры вихрей, а также скорость их вращения зависят от скорости набегающего потока и расхода вдуваемого газа.
При исследовании течения в выемке также были замечены качественные различия в картине течения при вдуве гелия и фреона. При скоростях набегающего потока —1 м/сек течение в зоне смешения набегающего потока с областью отрыва при вдуве гелия было ламинарным, а при вдуве фреона — турбулентным.
~ Авторы благодарят Г. И. Майкапара за постоянное внимание к работе и обсуждение результатов.
Рукопись поступила 20/Ш 1972 г.
