CC BY
43
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том XVII 19 86
№ 3
УДК 532.526 : 533.694.71/72 532.526.3
ВЛИЯНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ВДУВА—ОТСОСА НА ПРОЦЕСС ПЕРЕХОДА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ
В. М. Гилев, В. В. Козлов
Установлено, что при использовании периодического вдува — отсоса через ряд отверстий или щель в пограничном слое на плоской пластине возникает плоская волна Толмина—Шлихтинга. Показано, что полученной таким способом волной Толмина—Шлихтинга можно смещать точку перехода к турбулентности в пограничном слое.
В последнее время интенсивно изучается вопрос о преобразовании внешних возмущений в волны Толмина—Шлихтинга в пограничном слое, поскольку он тесно связан с общей проблемой перехода из ламинарного течения в турбулентное. Достаточно полный обзор литературы, посвященной этой проблеме, т. е. проблеме восприимчивости пограничного слоя к внешним возмущениям, можно найти в недавно вышедшей монографии [1]. В ней отмечается чувствительность пограничного слоя к локализованным в пространстве периодическим по времени внешним возмущениям.
В работе [2] было показано, что возбуждение волн Толмина— Шлихтинга в пограничном слое на плоской пластине, облучаемой внешним акустическим полем, происходит за счет поперечной вибрации передней кромки пластины. В работе [3] была обнаружена корреляция между числом Рейнольдса перехода и амплитудно-частотными характеристиками вибраций обтекаемой поверхности. В работах [4—6], посвященных возникновению волн Толмина—Шлихтинга при вибрации поверхности, когда локализованный источник вибраций находится далеко от передней кромки пластины, для газа была показана принципиальная возможность возбуждения собственных колебаний пограничного слоя. Для воды подобные эксперименты были проведены в работе [7].
В работе [8] была описана и реализована методика введения точечных возмущений в воздухе через отверстие в пластине с помощью громкоговорителя. В ней было показано, что при этом порождается пакет пространственных волн, имеющий сильную неоднородность по поперечной координате. В работе [9] исследовалось развитие такого пространственного пакета. В работе [7] уже была сделана попытка введения возмущений в воде с использованием вдува—отсоса через ряд
отверстий, но не было проведено исследований возникших возмущений и их идентификации.
Целью первой части данной работы была попытка получения для газа плоской волны Толмина—Шлихтинга в пограничном слое от точечных источников, расположенных в один ряд, а также в предельном случае, когда они сливаются в единую щель. Вторая часть работы заключалась в том, чтобы показать, что полученной таким способом волной Толмина—Шлихтинга можно управлять процессом перехода в пограничном слое.
До последнего времени методы управления переходом к турбулентности осуществлялись путем создания условий, при которых течение в пограничном слое становилось более устойчивым, т. е. управление осуществлялось воздействием на среднее течение в пограничном слое. Такими методами являются: создание благоприятного градиента давления, охлаждение поверхности в воздухе (нагревание в воде), отсос и т. д. [1].
Поскольку процесс перехода к турбулентности происходит за счет роста волн неустойчивости в пограничном слое, альтернативный способ управления этим процессом может заключаться в воздействии непосредственно на эти волны. Так, для этой цели предлагалось использовать упругие деформируемые поверхности. В работе [10] было показано, что при определенных условиях искусственно созданные волны, бегущие по поверхности обтекаемого тела могут как стабилизировать, так и дестабилизировать течение.
В последнее время появились работы, в которых исследуется возможность воздействия на развивающуюся в пограничном слое волну Толмина—Шлихтинга другой волной, создаваемой искусственным образом. Это возможно на основе принципа суперпозиции, который выполняется вследствие линейного характера уравнения Орра—Зоммер-фельда, описывающего возмущающее движение.
В работах [11 —13] было показано, что при наличии в пограничном слое одновременно двух волн Толмина—Шлихтинга одной частоты в линейной области, в зависимости от фазового соотношения между ними, возможно управление положением точки перехода от ламинарного течения в турбулентному, поскольку, например, в результате сложения двух волн, находящихся в противофазе, происходит уменьшение их суммарной амплитуды и, как следствие этого, смещение точки перехода вниз по течению. Так в работе [13] в результате возбуждения вибрирующими проволочками пограничного слоя на плоской пластине, размещенной в гидроканале, удалось сформировать две волны Толмина—Шлихтинга, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 180°. Наблюдалось уменьшение суммарной амплитуды волны в несколько раз и смещение точки перехода за пределы пластины. В работе [14] было показано, что вибрации поверхности, локализованные в пространстве, также могут являться одним из возможных механизмов управления процессом перехода в пограничном слое.
1. Эксперимент проводился в малотурбулентной аэродинамической трубе (интегральная по спектру степень турбулентности 0,04%) на двух устанавливаемых параллельно потоку пластинах из оргстекла длиной 1,2 м с эллипсообразной передней кромкой. Соотношение полуосей эллипса: 2 и 132 мм с рабочей стороны и 8 и 132 мм с противоположной. Скорость набегающего потока составляла «<*, = 7,25 м/с.
Наблюдение за развитием возмущений осуществлялось с помощью термоанемометра. Сигналы фиксировались и обрабатывались комплексом термоанемометрической аппаратуры «015А». Схема эксперимен-
ки/*;//у?/у ;//№//////;//;//77і
г і
/—громкоговоритель; 2—постоянный магнит; 3—ленточка; 4—ряд отверстий (щель)
Рис. 1. Схема эксперимента
1—для ряда отверстий; 2—для щели Рис. 2. Диапазон изменения частотного параметра Т7 и числа Рейнольдса Яе* при проведении эксперимента
та показана на рис. 1. При исследовании возбуждения волн Толмина— Шлихтинга для первого случая, т. е. через ряд отверстий, на расстоянии л: = 400 мм от передней кромки пластины было просверлено в один ряд 95 отверстий диаметром 0,8 мм с шагом 1,2—1,5 мм. Во втором случае на расстоянии х = 500 мм была выполнена поперечная щель длиной 93 мм, шириной 0,56 мм и глубиной 2 мм. Снизу пластины в месте расположения отверстий или щели закреплялся громкоговоритель марки 1ГД-6, также как и в работе [8]. Это позволяло получать двумерные возмущения в пограничном слое.
Экспериментально было установлено, что фаза возмущений по поперечной координате г с большой точностью остается постоянной, а амплитуда изменяется примерно в тех же пределах, как и при введении возмущений ленточкой по известной методике [9].
Для получения обычной волны Толмина—Шлихтинга применялась методика, описанная в работе [15]. Ленточка 3 (см. рис. 1) помещалась в потоке на высоте 0,15 мм от поверхности пластины на расстоянии 300 мм от передней кромки. Снизу пластины крепился постоянный магнит 2. При пропускании через ленту синусоидального электрического тока от генератора Г3-34 металлическая лента вибрировала в магнитном поле, внося тем самым возмущение в поток.
На рис. 2 показан диапазон изменений частотного параметра /*■ = = 2я/г/ИоЛ числа Ие*, измеренного по толщине вытеснения б'*, при которых проводился данный эксперимент. Измерения производились для первого случая внутри кривой нейтральной устойчивости при частоте / = 70 Гц (/*■ = 121 • 10-6), а для второго случая / = 82 Гц (/г = = 141 • 10~®) в основном в области затухания возмущений. На рис. 3 и 4 соответственно приведено сравнение нарастания амплитуд (а) возмущений и их фаз (б) для частоты /=70 Гц для первого случая и / = 82 для второго случая, задаваемых ленточкой и громкоговорителем (на расстоянии от стенки в первом случае у» 1 мм, а во втором у«1,5 мм). Видно, что в исследуемом диапазоне они практически совпадают в том случае, когда расстояние от отверстий и щели достаточно велико (более 50 мм), т. е. когда происходит выделение из возникшего пакета волны Толмина—Шлихтинга.
Таким образом, эти результаты в совокупности с распределениями по поперечной координате г показывают, что в потоке при периодическом вдуве и отсосе через ряд отверстий или через щель порождается
1—ленточка; 2—ряд отверстий Рис. 3. Кривые' нарастания амплитуды (а) и фазы (б) возмущения для частоты ^=70< Гц (^= 121-10_6) при у=\ мм
/—ленточка; 2—щель Рис. 4. Кривые нарастания амплитуды (а) и фазы (б) возмущения для частоты [=82 Гц (/ =
— 141-10~в) при £/« 1,5 мм
плоская волна Толмина—Шлихтинга, распространяющаяся вниз по потоку.
2. Для того чтобы показать, что данной волной можно управлять переходом к турбулентности, в потоке задавались одновременно две волны одной частоты от ленточки и от ряда отверстий или щели и строились их кривые нарастания, в зависимости от фазового соотноше-
ния между ними. При этом было выбрано два крайних положения, а именно, когда две волны подавались в фазе по отношению друг к другу (суммирование возмущений), так и в противофазе (вычитание возмущений).
На рис. 5 и 6 приведены кривые нарастания возмущений. Здесь цифрой 1 отмечена кривая нарастания амплитуды возмущений, создаваемых ленточкой, цифрой 2 — кривая нарастания амплитуды возмущений, возникающих на ряде отверстий или щели соответственно. Видно, что если обе волны находятся в фазе суммарная амплитуда их увеличивается практически в два раза, а при изменении фазы колебаний на я уменьшается на порядок. Полного вычитания все же не происходило, что может быть объяснено тем, что эти два вида возмуще-
/—ленточка; 2—ряд отверстий; 3—суммарный сигнал при сдвиге фазы, равном 0; 4—суммарный сигнал при сдвиге фазы, равном 180°
Рис. 5. Кривые нарастания интенсивности возмущений для частоты /=70 Гц (/7=12Ы0_6) при у= 1 мм
/—ленточка; 2—щель; 3—суммарный сигнал при сдвиге фаз, равном 0; 4—суммарный сигнал при сдвиге фаз, равном 180°
Рис. 6. Кривые нарастания интенсивности возмущений для частоты [=82 Гц (Р = = 141-10—6) при (/«=1,5 мм
/—ленточка; 2—ряд отверстий; 3—суммарный сигнал при сдвиге фаз, равном 0; 4—суммарный сигнал при сдвиге фаз, равном 180°; 5—«точка» конца перехода к турбулентности
Рис. 7. Интегральные кривые нарастания амплитуды возмущений для частоты / = 70- Гц при у— 1 мм
ний не являются чисто двумерными, а имеют некоторую степень трех-мерности, причем разную при возбуждении волны Толмина—Шлихтин-га ленточкой и на ряде отверстий (щели). Тем не менее в целом эти результаты указывают на эффективность данного метода подавления или усиления волны Толмина—Шлихтинга в пограничном слое.
На рис. 7 приведены интегральные кривые нарастания амплитуды возмущений для ряда отверстий, когда амплитуда на источнике была увеличена на порядок (что было сделано для получения перехода к турбулентности на пластине от каждого источника в отдельности). Из графика видно, что в случае сложения волн, когда обе волны находятся в фазе, суммарная их амплитуда увеличивается, при этом точка конца перехода смещается вверх по потоку при сравнении со случаем перехода от каждого источника в отдельности.
В случае вычитания волн, когда обе волны находятся в противо-фазе, суммарная их амплитуда уменьшается, точка перехода соответственно смещается вниз по потоку и перехода не наблюдается на всей пластине.
К аналогичным результатам приводит возбуждение возмущений для щели, в фазе или противофазе по отношению к возмущениям, порождаемых ленточкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Качанов Ю. С., Козлов В. В., Левченко В. Я. Возникновение турбулентности в пограничном слое. — Новосибирск: Наука, 1982.
2. 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. техн. наук, 1975, № 3, вып. 3.
3. П о л я к о в Н. Ф. Ламинарный пограничный слой в условиях
«естественного» перехода к турбулентному течению. — В сб.: Развитие
возмущений в пограничном слое. — Новосибирск, ИТПМ, СО АН СССР,
1979.
4. Терентьее Е. Д. Линейная задача о вибраторе в дозвуковом
пограничном слое,— ПММ-,-4981, т-. 45, выи. 6. —..... ......
5. Т у м и н А. М., Федоров А. В. Возбуждение волн неустойчивости в пограничном слое на вибрирующей поверхности. — ПМТФ, 1983,' № 3.
6. Гилев В. М., Козлов В. В. Возбуждение волн Толмина — Шлихтинга в пограничном слое при вибрациях. — ПМТФ, № 6, 1984.
7. G г u s с h k а Н. D. Periodisch angeregte grenzschichtstrorungen iiber einer ebenen platte in einer wasserstromung.— Acustica, 1965/1966, vol. 16, N 1.
8. Гилев В. М., Козлов В. В. Методика создания двумерных и трехмерных пакетов волн в пограничном слое. — Препринт ИТПМ, СО АН СССР, 1980, № 2.
9. Гилев В. М., Качанов Ю. С., Козлов В. В. Развитие пространственного волнового пакета в пограничном слое. — Изв, СО АН СССР, сер. гехн. наук, 1983, № 13, выи, 3.
10. Меркулов Р. И, Управление движением жидкости. — Ново- ,
сибирск, Наука’, сиб. отд., 1981. -
11.Liepmartn Н. VV., Brown ,G. L and Nosenchuck D. M. Control of laminar-instability waves using a new technique. — J. Fluid Mech., 118, 187 (1982).
12. Thomas A. S. W. The Control of boundary layer transition by wave superposition. — Bulletin of the American Physical Society, 1982, vol. 27, N 9.
13. Miling R. W. Tollmien — Schlichting wave cancellation. — The Physics of Fluids, 1981, vol. 24, N 5.
14. Гилев В. М., Козлов В. В. Использование малых локализованных вибраций поверхности для управления процессом перехода в пограничном слое.-—Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1985, вып. 2.
15. Качанов Ю. С., Козлов В. В., Левченко В. Я. Экспериментальное исследование влияния охлаждения на устойчивость ламинарного пограничного слоя. — Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1974, № 6, вып. 2.
Рукопись поступила 27/II 1985
