Введение к работе
Актуальность темы. При разработке перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) инженерам и конструкторам приходится решать ряд проблем, тесно связанных с возникновением турбулентности в пограничном слое. Переход течения от ламинарного к турбулентному режиму сопровождается резким ростом тепловых потоков, что может привести к гибели ГЛА, а также ростом сопротивления трения. Таким образом, в целях создания надежного и экономически эффективного ГЛА становятся критически важными исследования механизмов ламинарно-турбулентного перехода, прежде всего, в целях возможности его затягивания.
В настоящее время считается, что возникновение турбулентности связано с потерей устойчивости пограничного слоя по отношению к собственным волнам неустойчивости, возникающих в результате восприимчивости пограничного слоя к возмущениям во внешней среде. Далее, развиваясь в пограничном слое согласно линейной теории устойчивости, волны неустойчивости начинают участвовать в нелинейном взаимодействии. На этом этапе за счет нелинейных механизмов происходит перераспределение энергии в спектре волн и турбулиза-ция изначально ламинарного течения. Описанный механизм перехода справедлив, по крайней мере, для малых начальных амплитуд волн неустойчивости. При до- и сверхзвуковых скоростях потока существуют разные типы неустойчивости: первая мода (неустойчивость типа волн Толлмина - Шлихтинга), неустойчивость Гёртлера, неустойчивость поперечных течений. Особенностью гиперзвуковых пограничных слоев является появление нового типа неустойчивых волн - акустической моды (вторая мода), ненаблюдаемой при до- и сверхзвуковых скоростях. При этом вторая мода является наиболее неустойчивой в пограничном слое, начиная сМ~ 4,5 для адиабатических поверхностей.
Все известные методы управления ламинарным течением разрабатывались применительно к до- и сверхзвуковым скоростям с целью подавления возмущений первой моды. Однако известно, что при обтекании ГЛА гиперзвуковым потоком первая мода естественным образом стабилизируется за счет низкого температурного фактора. Кроме того, оптимизация формы ГЛА позволяет устранить неустойчивости Гёртлера и поперечных течений. Вдобавок относительно малые притупления носовой части и передних кромок ГЛА снижают вероятность раннего перехода за счет их абляции и шероховатости. Таким образом, доминирующей неустойчивостью становится вторая мода. Как следствие, применение в реальных полетных условиях методов, основанных на стабилизации второй моды, может приводить к существенному затягиванию перехода.
Лишь в течение последнего десятилетия были предложены методы лами-наризации, основанные на подавлении возмущений второй моды с помощью структурированных покрытий - пористых и волнистых. Было экспериментально показано, что стабилизация второй моды при помощи, например, пористого покрытия позволяет увеличить протяженность ламинарного участка обтекания конуса почти в два раза. Эти методы не предполагают применения сложных
электромеханических систем, введения серьезных конструкционных изменений аппарата, дополнительных источников энергоподвода и поэтому являются крайне перспективными с точки зрения применения их в реальных полетных условиях.
Однако экспериментальных работ, посвященных исследованию механизмов ламинаризации на структурированных поверхностях моделей, выполнено к настоящему времени мало. Известны единичные экспериментальные работы, посвященные исследованию нелинейных механизмов, приводящих к ламинар-но-турбулентному переходу на пористых покрытиях. Полученные в этих работах данные нуждаются в дальнейшей экспериментальной проверке и подтверждении. Экспериментальных исследований процессов ламинаризации на волнистых покрытиях не было проведено до сих пор.
Цель работы:
получение новых экспериментальных данных о нелинейных процессах, протекающих по всей толщине пограничного слоя на пористых покрытиях;
экспериментальное подтверждение концепции управления ламинарно-турбулентным переходом при помощи волнистых покрытий;
получение экспериментальных данных об устойчивости пограничного слоя на волнистых покрытиях и нелинейных аспектах перехода.
Научная новизна:
впервые выполнено комплексное экспериментальное исследование нелинейных процессов в гиперзвуковом пограничном слое на структурированных поверхностях. Получен ряд новых данных о механизмах нелинейных взаимодействий волн возмущений, приводящих, в конечном итоге, к ламинарно-турбулентному переходу;
впервые проведена экспериментальная верификация эффективности пассивного метода управления ламинарно-турбулентным переходом при помощи волнистых покрытий. Получены детальные данные о влиянии волнистой стенки модели на развитие возмущений в пограничном слое.
Научная и практическая ценность. Исследование течения над структурированными поверхностями (пористыми, волнистыми) напрямую сопряжено с проектированием ГЛА. Так, реальная теплозащита многоразовых челноков (типа шаттл - буран) является пористой, а тепловые нагрузки на гиперзвуковой аппарат могут привести к абляции поверхности аппарата. Поэтому исследование того, как видоизменяется течение над пористыми или волнистыми поверхностями, крайне важно для проектирования ГЛА. Кроме того, полученные результаты дают возможность разработки и усовершенствования методов пассивного управления ламинарно-турбулентным переходом для ГЛА.
Достоверность результатов. В работе использовалась отработанные методики экспериментального исследования. Для повышения точности и достоверности данных измерений были применены современные методы сбора,
накопления, выделения и обработки слабых сигналов на фоне интенсивного широкополосного шума. Снижение случайных ошибок достигалось в многократно повторяющихся измерениях. Достоверность подтверждена хорошим совпадением полученных данных с результатами других авторов и численными расчетами в сходных областях параметров.
На защиту выносятся:
результаты биспектрального и статистического анализа влияния пористых покрытий конусов на нелинейные взаимодействия в гиперзвуковом пограничном слое;
результаты экспериментального исследования влияния волнистой стенки модели на устойчивость гиперзвукового пограничного слоя;
результаты биспектрального анализа влияния волнистой поверхности пластины на нелинейные взаимодействия в гиперзвуковом пограничном слое.
Апробация работы
Основные материалы и результаты исследований автора докладывались и обсуждались на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, а также на следующих всероссийских и международных конференциях: Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR 2008, Новосибирск), Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (2009, Кемерово; 2010, Волгоград), конференции "Устойчивость и турбулентность гомогенных и гетерогенных жидкостей" (2008, 2010, Новосибирск), VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (2009, Новосибирск), Международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (2008, 2011, Новосибирск), Международной конференции AIAA (2012, Nashville).
Личный вклад автора
Автор участвовал в постановке задач численных и экспериментальных исследований, подготовке экспериментов и их проведении. Им созданы алгоритмы и программы обработки данных экспериментов, выполнена обработка результатов всех измерений. Совместные результаты представлены с согласия соавторов.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК. Список публикаций представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 111 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 121 страницу, включая 54 иллюстраций.
