Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор. Состояние исследуемого вопроса '. 10
ГЛАВА 2 Оборудование и методика проведения исследований
2.1 Аэродинамическая установка и измерительная аппаратура 14
2.2 Контролируемый эксперимент 15
2.3 Методика термоанемометрических измерений 16
2.4 Оценка погрешностей измерений 16
ГЛАВА 3 О нелинейной синусоидальной и варикозной неустойчивости в пограничном слое 19
3.1. Экспериментальная установка и процедура измерений 31
3.2. Поле скорости ниже по потоку от элемента шероховатости 33
3.3. Возникновение когерентных структур при нелинейном развитии синусоидальной и варикозной мод неустойчивости 38
3.4. Выводы 51
ГЛАВА 4 Варикозная неустойчивость в пограничном слое прямого крыла с градиентом давления 53
4.1. Экспериментальное оборудование 54
4.2. Результаты измерений 56
4.3. Выводы 60
ГЛАВА 5 Экспериментальное исследование варикозной неустойчивости полосчатой структуры в пограничном слое скользящего крыла 61
5.1. Экспериментальная установка и методика измерений 63
5.2. Характеристики течения в пограничном слое в отсутствии генерации возмущений 66
5.3. Варикозная неустойчивость полосчатой структуры при возбуждении вторичных возмущений акустическим полем 67
5.4. Выводы 73
ГЛАВА 6 Управление трансформацией Л - структуры в турбулентное пятно с помощью риблет 75
6.1. Экспериментальная установка и процедура измерений 81
6.2. Результаты измерений 84
6.3. Выводы 89
Заключение 90
Список литературы 93
- Контролируемый эксперимент
- Поле скорости ниже по потоку от элемента шероховатости
- Характеристики течения в пограничном слое в отсутствии генерации возмущений
- Экспериментальная установка и процедура измерений
Введение к работе
Проблема перехода ламинарного течения в турбулентное состояние представляет собой одну из наиболее важных и до настоящего времени нерешенных проблем механики жидкости и газа. Изучение явления перехода имеет большое значение как в фундаментальном плане, так и для практического приложения, в частности, при решении задач связанных с управлением пограничным слоем с целью снижения сопротивления трения на элементах летательных аппаратов, на лопатках турбин, компрессоров и т.д.
Предположение, что возникновение турбулентности в сдвиговых течениях связано с потерей устойчивости первоначально ламинарного потока, было высказано в конце прошлого века О. Рейнольдсом. Другая гипотеза, согласно которой переход вызывают пульсации внешнего потока вызывающие локальные отрывы пограничного слоя и его турбулизацию, значительно позднее была сформулирована Дж. Тейлором. Вплоть до 40-х годов, когда Г.Б. Шубауэр и Г.К. Скрэмстед в модельном эксперименте обнаружили волны неустойчивости, чем блестяще подтвердили концепцию неустойчивости, предпочтение отдавалось гипотезе Дж. Тейлора, которая подтверждалась и в эксперименте.
Успешное экспериментальное доказательство положений теории гидродинамической устойчивости Шубауэром и Скрэмстедом связано прежде всего с тем, что исследования были проведены при очень низкой степени турбулентности набегающего потока и с введением в пограничный слой искусственных,-контролируемых возмущений, характеристики развития которых из-за сохранения фазовой информации можно было измерить значительно точнее и в большем объеме, чем для "естественных" возмущений.
5 В настоящее время совершенно очевидно, что переход к турбулентности в пограничном слое в случае малой интенсивности различных внешних возмущений происходит вследствие развития неустойчивости исходного ламинарного течения.
В процессе перехода к турбулентности при малой интенсивности внешних возмущений происходит сложное, многоступенчатое разрушение ламинарного течения, связанное с эволюцией. и трансформацией возмущений различной природы и их взаимодействием со средним потоком с образованием вторичных течений, генерацией возмущений нового типа и в конечном итоге с возникновением турбулентного пограничного слоя.
Под воздействием разнообразных внешних возмущающих факторов (турбулентность набегающего потока, неровности поверхности, акустические воздействия и т.д.) на начальных стадиях перехода в ламинарном пограничном слое возникают малые по амплитуде собственные гидродинамические возмущения, получившие название волн Толлмина-Шлихтинга (Т-Ш). Эти волны развиваются в пограничном слое согласно линейной теории устойчивости, пока их амплитуды не достигнут величины порядка одного процента от скорости набегающего потока, после чего возмущения вступают в нелинейную стадию своего развития. На нелинейной стадии структура возмущений существенно усложняется, искажается профиль средней скорости, появляются дополнительные гармоники и сильные эффекты трехмерности при взаимодействии возмущений, турбулентные пятна, которые в процессе развития и слияния приводят к полностью турбулентному пограничному слою.
Однако механизм ламинарно-турбулентного перехода, связанный с развитием волн ТШ, не работает в целом ряде течений в пограничном слое, который модулирован в трансверсалыюм направлении продольными вихревыми структурами. Например, пограничный слой в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока модулирован, так называемыми полосчатыми структурами, течения, модулированные вихрями Тейлора - Гертлера, пограничный слой на скользящем крыле модулирован вихрями поперечного течения и т.д. В этих ситуациях, ламинарно-турбулентный переход связан с вторичной высокочастотной неустойчивостью таких течений. Течение, модулированное в трансверсальном направлении продольными вихрями, создает неустойчивые (с точкой перегиба) профили средней скорости в нормальном и трансверсальном к стенке направлениях, где и могут нарастать вторичные высокочастотные колебания. Концепция вторичной высокочастотной неустойчивости достаточно детально изучена и теоретически, и экспериментально. Неустойчивость нормального к стенке профиля скорости (du/dy) создает условия для развития, так называемой варикозной неустойчивости, а трансверсального профиля скорости (du/dz) - синусоидальной неустойчивости. Оба вида неустойчивостей могут развиваться как раздельно, так совместно, приводя к турбулизации течения. Заметим, что исследования синусоидальной и варикозной неустойчивости, особенно физические эксперименты, имеют отношение к линейной и начальной стадии нелинейного развития возмущений. Работ по исследованиям поздних стадий вторичного высокочастотного разрушения течений практически нет.
Учитывая сложность данного механизма перехода и неоднозначность в понимании его возникновения и развития, представляется важным проведение экспериментальных исследований синусоидальной и варикозной неустойчивости пограничных слоев не в "естественных", как это делалось в большинстве случаев, а в модельных условиях, что может дать возможность получить дополнительную информацию об этом сложном процессе, особенно на поздних стадиях нелинейного развития. Связано это прежде всего с тем, что в контролируемом эксперименте исследуется процесс развития искусственных возмущений в контролируемых условиях, т.е. с сохранением фазовой информации. Сохранение фазовой информации дает возможность выделять и изучать процесс развития возмущений, величина амплитуды
7 которых на два порядка ниже интегральной амплитуды фоновых возмущений.
Контролируемый эксперимент с применением современной аппаратуры и программного обеспечения для автоматизированного сбора, обработки и представления экспериментальных данных позволил нам получить пространственно - временную термоанемометрическую визуализацию течения на поздних стадиях его разрушения, где сохранена как качественная, так и количественная информация о его структуре.
Понимание сложных процессов механизма вторичной высокочастотной неустойчивости течений является очень важным как с точки зрения накопления фундаментальных знаний о природе этого явления благодаря физическому эксперименту, что может дать основу для создания теоретических моделей, так и с точки зрения практического применения этих знаний для управления процессом развития возмущений имеющих место в данных условиях и, следовательно, управления самим переходом.
Настоящая работа посвящена экспериментальным исследованиям процесса развития и управления вторичной неустойчивостью продольной (полосчатой) структуры в пограничных слоях. Целью работы является:
Экспериментальное изучение нелинейной стадии вторичной неустойчивости полосчатой структуры в пограничных слоях и возможности управления этим процессом.
Работа включает в себя следующие основные направления исследований: а) исследование нелинейной синусоидальной и варикозной неустойчивости полосчатой структуры в пограничном слое на плоской пластине; б) изучение варикозной неустойчивости полосчатой структуры в пограничном слое прямого крыла в областях с нулевым и неблагоприятным градиентом давления; в) изучение варикозной неустойчивости полосчатой структуры в пограничном слое скользящего крыла;
8 г) исследование возможности управления трансформацией уединённой Д - структуры в турбулентное пятно с помощью риблет.
Диссертация состоит из введения, шести глав с изложением результатов исследований, заключения и списка цитируемой литературы.
В главе 1 содержится общая характеристика проблемы и обзор основных работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям явления перехода к турбулентности в течениях, модулированных продольными полосчатыми структурами, в соответствии с темой диссертационной работы в кратком изложении (более детально эти вопросы рассмотрены в начале каждой из глав, в которых представлены результаты исследований). Рассматриваются течения, модулированные в поперечном направлении продольными вихревыми структурами; особенности перехода к турбулентности течений в пограничном слое, модулированном продольными стационарными вихрями типа вихрей Тейлора - Гертлера, полосчатыми структурами и вихрями поперечного течения на скользящих крыльях; возникновение и развитие Л - структур и турбулентных пятен.
В главе 2 описывается экспериментальная установка, используемые модели, условия проведения экспериментов. Рассматриваются методика и аппаратура, разработанные для проведения пространственно-временной термоанемометрической визуализации течений. Описывается методика проведения измерений и обработки результатов экспериментов на ЭВМ. Проведена оценка погрешностей измерений.
Контролируемый эксперимент
Методика контролируемого эксперимента позволяла получать детальную информацию о возмущениях в пограничном слое, используя датчик термоанемометра, измеряющий продольную компоненту скорости и ее пульсаций. Суть методики - возмущения в пограничный слой вводились искусственно посредством, как правило, громкоговорителя, соединенного с генератором сигналов .
Схема контролируемого эксперимента информацию исследуемых возмущений. Данная методика позволяла улучшить соотношения сигиал/шум при осреднении по ансамблю нескольких реализаций сигнала в одной пространственной точке. В отдельных случаях только таким образом удавалось выделить полезный сигнал из недетерминированных шумов.
Во всех описываемых экспериментах использовался термоанемометр постоянного сопротивления, перегрев нити датчика был 1.8. При однокомпонентных измерениях измерялась продольная компонента пульсационной составляющей скорости и и средняя скорость U в различных точках по пространству х, у, z. Датчик термоанемометра тарировался в свободном потоке в диапазоне скоростей от 2 м/с до максимальной предполагаемой в эксперименте скорости потока. Для аппроксимации экспериментальной зависимости скорости от выходного напряжения моста была использована функция: и = кі(Е2-Е20У "+к2(Е -Е0У 2, (2.1) где Е и Ео — выходные напряжения с анемометра при скорости потока U и в покое соответственно, к], к2 и 1/п константы определяемые эмпирически таким образом, чтобы погрешность аппроксимации была меньше 1 %. Первый член уравнения (2.1) соответствует известному выражению Кинга, второй - добавлен для учета свободной конвекции при малых скоростях потока и позволяет продолжить тарировочную кривую в область низких скоростей. Обработка результатов измерений проводилась на компьютере в среде MatLab. Для каждого эксперимента часто разрабатывалась индивидуальная программа.
Несколько замечаний необходимо сделать об ошибках измерений. Ошибки установки датчика в потоке определяются точностью координатного устройства. Кроме этого возможны ошибки вследствие изменения температуры окружающей среды, загрязнения датчика, влияния близкого расположения стенки, возмущения потока датчиком и неточностей измерительной и регистрирующей аппаратуры. Изменение температуры окружающей среды в течение эксперимента может существенно влиять на измерения. Изменение температуры потока меняет условия теплообмена датчика, при повышении температуры измеренные датчиком показания скорости занижены, при понижении наоборот. Для датчиков, которые использовались в данной работе (отношение длины нити датчика к диаметру 200, перегрев нити 1.8) флуктуации температуры в 5С вызывают ошибку измерения скорости менее 1 % [21]. Как правило, температура потока поддерживалась постоянной с точностью до 1С. Температурная коррекция измерений не производилась.
Загрязнение нити датчика также влияет на условия теплообмена. Для уменьшения содержания твердых частиц и капельных примесей в потоке аэродинамическая установка была оснащена специальными фильтрами. Как правило, тарировка датчика производилась несколько раз в течение одного эксперимента. При существенном расхождении (более 1 %) между двумя следующими друг за другом калибровками эксперимент приходилось повторять.
При измерении в пограничном слое близко к поверхности модели условия теплообмена датчика нарушаются вследствие влияния теплопроводящей стенки. Возле стенки, таким образом, измеряемая датчиком скорость оказывается выше реальной.
Эта зависимость получена для стенки из материала с высокой теплопроводностью для перегрева нити от 1.003 до 1.27. Предполагается также, что нить расположена в вязком подслое, где распределение скорости линейное. Наши эксперименты подтвердили высокую эффективность данной зависимости. Когда расстояние до стенки контролировалось и возможно было произвести коррекцию, такая коррекция измерений осуществлялась. В противном случае экспериментальные точки, измеренные вблизи стенки, просто отбрасывались. Чтобы избежать возмущения потока датчиком необходимо, чтобы угол установки державки датчика в потоке составлял 10-15, для пограничного слоя необходимо применять датчики специальной изогнутой формы. Эти условия в наших экспериментах выполнялись, кроме того, всегда калибровка датчика производилась непосредственно перед экспериментом, в тех же условиях что и эксперимент. При таком подходе отвод тепла от нити датчика в ножки, возмущение потока державкой, ножками датчика и координатным устройством учитывался в процессе калибровки [21].
При длительном (более 12 часов) прогреве приборов дрейфа измерительно-регистрирующей аппаратуры удавалось избежать. Современная аппаратура отличается очень низким уровнем паразитных шумов и точностью измерения. Все сигнальные соединения аппаратур были выполнены коаксиальным кабелем, чтобы избежать электромагнитных помех. При таком подходе вклад погрешности электрических приборов в общую погрешность измерений можно не учитывать, вследствие ее малости.
При соблюдении всех названных условий, величина погрешности измерений определяется точностью тарировки [21]. Точность тарировки определяется точностью измерения скорости потока микроманометром, соединенным с трубкой Пито -Прандтля, вблизи которой находится тарируемый датчик и точностью подбора аппроксимирующей калибровочной кривой ( 1 %). Ошибка в измерениях скорости электронным микроманометром составляла величину менее 1% во всем диапазоне скоростей (от 1 до 20 м/с), следовательно, погрешность измерений была 1 %.
Поле скорости ниже по потоку от элемента шероховатости
Профиль U =f(y) при z = 0 мм позади элемента шероховатости явно имеет точку перегиба, что указывает на его неустойчивость (см. рис. 3.15(a). На рис. 3.15(6) z-распределения измерены на высотах у = 1.0; 1.5; 2.0; 2.5 и 3.0 мм. Дефект скорости из-за торможения элементом шероховатости наблюдается ниже — у = 3 мм. Трансверсальные распределения скорости поперек полосчатой структуры очень напоминают распределения в обычном следе, и поэтому поперечный масштаб полосчатой структуры отмечен как половина ширины 4, используемой для обычных следов. Здесь половина 4 около 4 мм при х - х0 = 30 мм. Кроме того, отметим, что превышение скорости на торцах выступа, внедренное продольными вихрями (две ноги подковообразного вихря, возникающего при обтекании элемента шероховатости), значительно больше, чем в работе [50] из-за влияния вторичного возмущения. Это указывает, что воздействие стационарного подковообразного вихря с наложенным на него вторичным возмущением на скоростное поле значительно больше, чем в той же работе [50]. Настоящая полосчатая структура является, таким образом, несвободной от продольной завихренности из-за присутствия искусственных возмущений. Наличие же точек перегиба в профилях U(z) указывает на их неустойчивость, как и в профиле U(y).
Контурные диаграммы изолиний равных дефектов средней скорости в плоскости yz вблизи элемента шероховатости при х - х0 = 30 мм в условиях генерации вторичных высокочастотных возмущений, создающих синусоидальный (а) и варикозный (Ь) типы неустойчивости, представлены на рис. 3.16. Видно, что в обоих случаях структура поля течения, изображенная в изолиниях средней скорости, представляет собой область дефекта скорости и расположенные симметрично по обе стороны от нее две области превышения скорости.
Вторичное возмущение скорости оказало заметное влияние на интенсивность средних характеристик течения, что связано с нелинейностью этого процесса уже вблизи источников возмущений. Максимум амплитуды средней скорости для варикозного типа неустойчивости достигает 17 % Um а для синусоидального типа — 23 % Um. Можно наблюдать слабый сдвиг максимума в распределении дефекта скорости на рис. 3.16Ь вверх от стенки, что, по-видимому, связано с воздействием возмущения непосредственно под полосчатой структурой в случае реализации варикозной неустойчивости. Представление о структуре вторичного высокочастотного возмущения синусоидального и варикозного типов вблизи элемента шероховатости в плоскости yz при л: - х0 = 30 мм дают контурные диаграммы изолиний равных пульсаций скорости (и ш5) на рис. 3.17.
Как видно из рис. 3.17, уровень амплитуды пульсаций вторичного возмущения даже вблизи элемента шероховатости достаточно высокий, особенно для варикозного типа неустойчивости — 10,2 % U„ (для синусоидального — 3,5% LQ. Тем самым созданы условия для нелинейной стадии развития обоих типов пеустойчивостей далее вниз по потоку. Рассматривая общие свойства неустойчивости перегибных профилей скорости в направлениях у и z, мы ожидали, что полосчатая структура может нарастать двумя типами неустойчивой моды, то есть симметричной варикозной модой, развивающейся в симметричные шпилькообразные вихри с парой противовращающихся продольных вихрей, и антисимметричной синусоидальной модой, ведущей к меапдрированию полосчатой структуры. Чтобы возбудить эти две моды неустойчивости раздельно, в контролируемом эксперименте возмущения внедрены в ламинарную полосчатую структуру через малые отверстия, связанные с громкоговорителем, как уже отмечалось выше. Рисунок 3.17а показывает антисимметричную моду при/= 150 Гц. Распределение этой моды симметрично относительно z = 0, но ее фаза подвергается 180-градусному прыжку поперек оси симметрии и таким образом амплитуда этой моды пропадает при z = 0. Рисунок 3.176 показывает симметричную моду на той же частоте/= 150 Гц, выбранной близкой к наиболее растущей в естественных условиях. Распределение этой моды, наоборот, показывает максимальную амплитуду при z = 0 и отсутствие трапсверсального прыжка фазы. Таким образом, возбужденные волны могут быть идентифицированы как собственные моды трехмерного сдвигового слоя, связанного с полосчатой структурой. Несмотря на явно нелинейный характер возбужденных волн даже вблизи источника их генерации, картины распределений на рис. 3.17 качественно коррелировали с аналогичными распределениями из работы [50]. Заметим, что фазовые скорости симметричной и антисимметричной мод были близки к локальной скорости в точках перегиба в профиле по оси у при z = 0 мм и по оси z при у = 2 мм соответственно. Сдвиг скорости (dU/dy или dUldz) становится наибольшим в этих точках перегиба.
Известно [50], что линейная неустойчивость трехмерного слоя сдвига связана с полосчатой структурой. Наш интерес состоит в том, чтобы посмотреть, как неустойчивые моды эволюционируют в когерентные вихри, ведущие к пристенной турбулентности. Как уже отмечалось выше, амплитуда искусственных возмущений для создания нелинейности и поздних стадий перехода вблизи элемента шероховатости при х - х0 = 30 мм составляла 3,5 % /«, и 10 % /«, для синусоидальной и варикозной мод
неустойчивости соответственно. Интенсивность нарастания вниз по потоку (от х - х0 = 30 мм до х - х0 = 150 мм) высокочастотных вторичных возмущений была довольно слабой (от 3,5 % их до 11 % U„ для синусоидальной и от 10 % /«, до 12 % /„ для варикозной мод неустойчивости), в то время как влияние возмущений на средние характеристики течения было значительным (от 19 % Ц до 38 % Um для синусоидальной и от 7 % Ux до 32 % U для варикозной мод неустойчивости). Особенно сильно влияние синусоидальной неустойчивости, даже при значительно меньшей амплитуде вторичного возмущения (3,5 % Ux) воздействие его на средние характеристики течения более мощное (38 % /«,). Это подтверждает выводы многих исследователей о более опасной синусоидальной неустойчивости.
Характеристики течения в пограничном слое в отсутствии генерации возмущений
Известно, что течение в пограничном слое скользящего крыла существенно трехмерно, что связано с наличием поперечного течения. Линии тока невязкого течения в пограничном слое по этой причине искривлены и имеют характерную -образную форму (см. рис. 5.16). Вектор скорости по толщине пограничного слоя непрерывно разворачивается при движении к стенке, что создает условия для генерации вихрей поперечного течения в области передней кромки скользящего крыла. Устойчивость таких течений давно и широко исследуется многими исследователями как в теоретических, так и экспериментальных работах. Изучение проводится как в естественных условиях, то есть когда вихри поперечного течения генерируются естественным путем при обтекании крыльев под углом скольжения, так и в контролируемом эксперименте, где они генерируются искусственно с помощью различных методик. В данном случае, использована методика контролируемого эксперимента, что позволяет более детально исследовать тот или иной процесс динамики развития возмущений за счет сохранения фазовой информации при синхронизации их пространственного развития с источником возбуждения. На рис. 5.2 отмечена область измерений и позиция ввода возмущения относительно линии тока. На рис. 5.3 представлен профиль продольной компоненты средней скорости в пограничном слое скользящего крыла в отсутствии ввода возмущений при xjc — 0,3, в диапазоне координаты z от 1,4 до - 7 мм. Видно, что профиль отражает ламинарное состояние течения и толщина пограничного слоя 5 (0,99 UQ) равна примерно 3 мм. Поэтому можно отметить, что в данной области она изменяется незначительно.
Видно, что изолинии равных дефектов средней скорости (Дм) демонстрируют наличие областей недостатка скорости (— ДЇ7), и симметрично расположенные относительно них в трансверсальном направлении области ее превышения (+ДЇ7). Данное распределение характерно для развития в слое сдвига продольного локализованного в трансверсальном направлении вихря или полосчатой структуры. Следует отметить еще два обстоятельства, наблюдаемые в данном распределении.
Рассмотрим контурные диаграммы изолиний равных пульсаций скорости (и1,), то есть вторичного высокочастотного возмущения, наведенного акустикой (см. рис. 5.4.). На начальной стадии его развития (при xclc = 0,29) видно, что максимум интенсивности вторичного возмущения совпадает с максимумом области дефекта скорости в распределении Дм = f(z). На рис. 5.5, где представлены изоповерхности из профилей средней скорости для различных хс/с, где хорошо видно, что вторичное возмущение развивается в точке перегиба профиля средней скорости, то есть имеет место невязкая неустойчивость профиля скорости, что согласуется с положениями линейной теории устойчивости. Далее вниз по потоку, интенсивность вторичного возмущения остается постоянной, его максимум постепенно смещается вверх от стенки, и это связано со смещением точки перегиба в профилях Ды = f(y) на рис. 5.5. Рис. 5.5. Изоповерхности из профилей средней скорости с проекциями искажений для xlc = 0,27, 0,29, 0,3, 0,32. G - толщина потери импульса.
Видно, что структура имеет характерную для варикозной неустойчивости продольную модуляцию, вызванную развитием на ней высокочастотного возмущения. Шаг модуляции коррелирует с длиной волны X вторичного возмущения, составляющей в данном эксперименте примерно 4-5 мм при частоте /= 1083 Гц и скорости потока /да = 6 м/с. Вниз по потоку наблюдается процесс мультиплицирования и возникновение новых полосчатых структур. Как уже отмечалось во введении, развитие варикозной неустойчивости приводит к появлению своеобразных вихревых структур, представляющих собой два противовращающихся вихря, замыкающихся головкой (по типу Л - вихрей, подковообразных или шпильковых вихрей). На рис. 5.7 показана картина пространственной визуализации эволюции вторичного высокочастотного возмущения в координатах х, у, z, выполненная с помощью термоанемометрических измерений, как и на рис. 5.6. Можно наблюдать характерные нестационарные образования, которые множатся в трансверсалыюм направлении в соответствии с наблюдаемой картиной на рис. 5.6. Однако в данном случае мы наблюдаем за развитием не всей стационарной структуры, а только непосредственно за развитием ее высокочастотной составляющей. Именно развитие вторичной неустойчивости приводит к ламинарно-турбулентному переходу и варикозная мода неустойчивости проявляется на нелинейной стадии ее развития в виде подковообразных, "шпильковых" и тому подобных вихрей. Мы же наблюдаем локализованные образования несколько иного типа и связано это, по-видимому, с тем, что в данном случае мы изучаем варикозную неустойчивость полосчатой структуры в пограничном слое скользящего крыла.
Экспериментальная установка и процедура измерений
Эксперименты проведены в контролируемых условиях в малотурбулентной аэродинамической трубе L- 2. Плоская пластина (1) толщиной 30 мм, шириной 900 мм и длиной 2000 мм устанавливалась параллельно в рабочей части трубы (см. рис. 6.1). Л-структура генерировалась с помощью вдува газа динамическим громкоговорителем (2) через отверстие (3) диаметром 3 мм, расположенным в центре пластины на расстоянии х = 435 мм от ее носика. На динамический громкоговоритель (2) подавался электрический сигнал, представляющий собой прямоугольные импульсы частотой 4 Гц, которые обеспечивали генерацию локализованных по пространству возмущений. С целью более надежной стабилизации сипіала при его осреднении по ансамблю, а также обеспечения контролируемого вторичного возмущения, ведущего к развалу Л-структуры в турбулентное пятно, прямоугольные импульсы модулировались вторичным высокочастотным возмущением малой амплитуды частотой 240 Гц (см. рис. 6.2).
В условиях отсутствия модуляции не удавалось избавиться от фоновых шумов на последних стадиях преобразования Л - структуры в турбулентное пятно. Осуществлялось выделение полезного контролируемого сигнала из фонового шума. Его уровень не превышал 0,01 - 0,02% от скорости набегающего потока вначале, однако далее вниз по потоку нарастал и достигал 1 % и его влияние на Л - структуру и, тем более, на турбулентное пятно если и было, то было незначительным. Л - структура генерировалась искусственно, в контролируемых условиях с сохранением фазовой информации. Фоновый шум всегда присутствует и для выделения когерентной составляющей сигнала обычно используется операция осреднение осциллограмм по ансамблю с целью выделения слабых по интенсивности контролируемых сигналов. В нашем случае уровень амплитуды генерированной Л - структура более чем на два порядка превышал внешний шум. Если и было его влияние, то незначительное, что не могло повлиять на параметры и структуру Л - вихря. Что касается турбулентного пятна, то при осреднении по ансамблю оно представляет собой структуру, состоящую из группы когерентных образований. С другой стороны, турбулентное пятно достаточно консервативная структура, на которую очень сложно повлиять, особенно таким незначительным уровнем фонового шума.
Риблетный вкладыш (4) устанавливался на расстоянии 25 мм от точки ввода возмущений и представлял собой прямоугольник размерами 200 х 100 мм, впадины риблет которого совпадали с поверхностью плоской пластины, т.е. подложка риблетного вкладыша в эксперименте была утоплена (см. рис. 6.1). Профиль риблет показан на рис. 1, высота h = 0,65 мм, поперечный размер s = 1,3 мм, ширина пика выступа 0,1 мм. Безразмерный параметр риблет s+ = su /v, где и = (v \&i/cfy\y=o) /2 скорость ламинарного трения и \ди/ду\у о = 0,332U„/S - градиент средней скорости на стенке, где 8 (vX/Uc 12. В диапазоне исследуемых чисел Рейнольдса Rex = 2,82 + 3,77 х 105 безразмерный трансверсальный параметр s , нормализованный на внутренние переменные (и, и ), составил 19 s+ 18, что достаточно близко к аналогичному параметру из работы [84] 26 s+ 21 и приближается к оптимальному параметру риблет для турбулентного пограничного слоя из работы [64] s+ = 15. Скорость потока составляла /«,= 8,9 м/с, уровень турбулентности не превышал 0,01% и«,. Термоанемометр измерял среднюю по времени продольную компоненту скорости U и пульсации скорости и . Датчик с проволочкой из золоченого вольфрама длиной 1 мм и диаметром 5 [хм с коэффициентом перегрева 1,8 калибровался в свободном потоке с использованием модифицированного закона Кинга: U - ki(E? - Eo)Un + кг(Е — Ео),/2, где Е и Ео - выходные напряжения термоанемометра при скорости потока и ее отсутствии, соответственно; к/, &? и п - константы. Показатель экспоненты (я) обычно близок к 0,5, вторая константа (&?) учитывает свободную конвекцию на стенке при малых скоростях потока. Максимальная ошибка при калибровке датчика не превышала 1% от и«,.- Все измерения проведены в автоматическом режиме с использованием координатного устройства, перемещающего датчик в пространстве (xyz) по специально разработанной программе с использованием Lab View. Процесс измерения заключался в записи в память компьютера осредненных по ансамблю осциллограмм (до 50 реализаций) в определенной точке пространства, после которого датчик перемещался автоматически в следующую точку и т.д. Обработка полученной информации производилась с применением программного обеспечения MatLab, что позволило представить результаты измерений в виде контурных диаграмм изолиний равных пульсаций скорости в плоскости xz, а также в виде пространственных (xyz) поверхностей равных уровней пульсаций скорости. Начало координат х всех измерений указано от позиции источника возмущений (от отверстия диаметром 3 мм, расположенном на х =435 мм).
