Введение к работе
Актуальность темы. К числу наиболее сложных задач аэрогазодинамики, до настоящего времени не получивших удовлетворительного решения, можно с уверенностью отнести изучение сверхзвуковых турбулентных отрывных течений. Подобные задачи постоянно возникают при проектировании перспективных летательных аппаратов, реактивных двигателей и других энергетических установок. Возникающие в весьма разнообразных реальных течениях явления, связанные с воздействием на пограничный слой различных возмущающих факторов, характер релаксации неравновесных течений, изменение турбулентных характеристик, особенности теплообмена и т.д. могут быть правильно предсказаны при выделении в каждом конкретном случае определяющих физических процессов и глубоком понимании их природы.
Такое понимание может быть достигнуто при постановке полного эксперимента, что позволяет в результате получить информацию о широком спектре параметров течения. Необходимость такой постановки обусловлена также потребностями развития численного моделирования, нуждающегося в надежной основе для тестирования и развития самых разнообразных подходов, d частности, создание расчетных моделей ограничено отсутствием универсальных моделей турбулентности, что в особенности справедливо для отрывных течений. Это обстоятельство связано, в частности, с недостаточным количеством достоверных экспериментальных данных, а в некоторых слу-чаяхи их полным отсутствием до самого последнего времени. Поэтому особое значение приобретают эксперименты, где получается информация о поведении величин пульсаций массового расхода, плотности, скорости и температуры торможения в свободном потоке и в пограничных слоях в различных ситуациях.
Целью работы являлось экспериментальное исследование газодинамических особенностей развития сверхзвукового отрыва в широком диапазоне изменения определяющих параметров, а также характеристик пограничного слоя, возмущаемого скачками уплотнения, отрывом и волнами разрежения, включая распределение осредненных и пульсационных величин.
Научная новизна^ Получена систематическая информация о различных этапах развития двумерного сверхзвукового турбулентного отрывного течения. йеделены области существования различных ре-
жимов отрыва перед ступеньками с фиксированным углом отклонения наветренной грани. Показано, что отсоединение скачка уплотнения является условием превращения отрыва в угле сжатия в отрывное течение перед ступенькой конечной высоты К . 3 первом случае размеры отрывной зоны зависят от числа Маха и не зависят (при достаточной длине наветренной грани) от п Зо втором случае размеры отрыва определяются высотой ступеньки и практически не зависят от значения М в набегающем потоке.
Лервые в отечественной практике получены данные о характеристиках турбулентности в пограничных слоях при сверхзвуковых скоростях потока. Приводятся подробные данные о распределениях пульсаций массового расхода, скорости, плотности и температуры торможения при последовательном взаимодействии потока и пограничного слоя со скачками уплотнения и волнами разрежения.
Обнаружены новые эффекты - рост уровня пульсаций в пристенной части слоя, развиваюшегося за волнами разрежения; сохранения преобладающего уровня акустической моды пульсаций после взаимодействия потока с различными возмущениями. Показано, что при последовательном воздействии, стабилизирующее влияние волн разрежения не компенсирует усиления турбулентности за скачками уплотнения равной интенсивности.
Комплексный характер исследований позволил выделить основные физические процессы, определяющие развитие двумерных сверхзвуковых отрывных течений, учет которых необходим при развитии современных методов расчета.
Научная и практическая ценность. Проведенные исследования существенно расширяют существующие представления о физических особенностях рассматриваемых течений.
іЗьіделенньїе области существования различных режимов течений в зависимости от М и геометри препятствий позволяют установить границы применимости известных корреляций. Предложены новые соотношения для определения длин отрывных зон в одном из режимов. Уточнены возможности использования струйных аналогий для создания приближенных методов расчета отрывных течений.
Полученные^количественные схемы течений на различных этапах развития отрыва использованы для совершенствования численного моделирования таких течений в рамках уравнений Навье-Стокса, проводимых в ИТПМ СО АН СССР.
На основани подробных методических исследований доказана
надежность результатов измерений характеристик турбулентности, получаемых с помощью созданного ранее в ИТПИ СО АН СССР комплекса термоанемометрической аппаратуры, принятых методик проведения и обработки экспериментов.
Полученные новые данные о характеристиках турбулентности позволили объяснить ряд особенностей теплообмена на наклонных ступеньках и послужили основой для развития методов расчета теплообмена в ситуациях, когда существенную роль играет изменение уровня пульсаций.
Материалы проведенных исследований переданы в ряд КБ, а такие используются в ИЛИ им.Келдыша, ВЦ АН СССР и ИТПМ СО АН СССР для развития различных численных методов расчета сверхзвуковых турбулентных отрывных течений.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований по теме диссертации представлялись на: І. 21-й ежегодной конференции Общества инженерных наук, США, Елэксбург, І9Г4. 2. ШТАМ Симпозиум по ламинарно-турбулентному переходу, СССР, Новосибирск, 19о4. 2. Всесоюзная конференция по проблемам турбулентных течений, Ііданов, 1934. 4. всесоюзная конференция "Экспериментальные исследования и математические модели физико-химических процессов в сплошных средах", Харьков, 1935. о. Шестой Всесоюзный сіезд по теоретической и прикладной механике, Ташкент, I9S6. 6. Всесоюзная школа по методам аэрофизических исследований, Новосибирск, 1%6. 7. 1-я конференция по механике Академий наук социалистических стран, ЧССР, Прага, 1987. П. Всесоюзная школа по моделям механики сплошной среды, Новосибирск, I9S7. 9. Всесоюзный семинар "Отрывные и струйные течения", Новосибирск, І96Б.
Материалы диссертации вошли в работу коллектива авторов удостоенную диплома на конкурсе фундаментальных исследований СО АН СССР в 1937 г.
Результаты настоящей работы докладывались на семинарах: І. в ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского под рук. чл.-корр. АН СССР В.З.Сычева; 2. в Институте прикладной математики им.М. В. Келдыша под рук. чл.-корр. АН СССР К.И.Еабенко; 3. на ЗЦ АН СССР под рук. проф. З.П.Шидловского; 4. в НИИ Механики МГУ под рук. проф. А.И.Швеца, а такие представлялись в докладах, сделанных в Университетах США на семинарах под рук. профессоров С.Вогдонова, Д.Чапмена, Г.Корста в І9В5 г.
Результаты выполненных исследований опубликованы в [i-IIJ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем - 249 стр., в том числе 145 стр. машинописного текста, 77 рисунков и список литературы из 220 наименований.