Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор состояния исследований ламинарно-турбулентного перехода при повышенной степени набегающего потока 18
Введение 18
Задача гидродинамической устойчивости 19
Восприимчивость пограничного слоя при повышенной степени турбулентности
набегающего потока 23
Управление ламинарно-турбулентным переходом 27
Глава II Экспериментальное исследование предвестников фронтов локализованных возмущений в пограничном слое прямого и скользящего крыльев при повышенной степени турбулентности набегающего потока 32
Введение 32
Методика эксперимента 35
Результаты и обсуждение 38
Выводы 51
Глава III Экспериментальное исследование локализованных возмущений в пограничном слое прямого и скользящего крыла, генерируемых из набегающего потока 53
Введение 53
Методика эксперимента 54
Результаты и обсуждение 58
Выводы 70
Глава IV Экспериментальное исследование влияния распределения давления над профилем и градиента давления вблизи переднего фронта на предвестники фронтов локализованных возмущений 72
Введение 72
Методика эксперимента 73
Результаты и обсуждение 74
Выводы 81
Заключение 83
Список работ содержащих материалы диссертации 85
Список использованных источников 89
- Восприимчивость пограничного слоя при повышенной степени турбулентности
- Результаты и обсуждение
- Методика эксперимента
- Результаты и обсуждение
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время хорошо изучен сценарий ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при низкой степени турбулентности набегающего потока: распространяясь вниз по потоку волны Толлмина — Шлихтинга ведут себя сначала как возмущения малых амплитуд, затем, развиваясь, проходят нелинейную стадию развития, постепенно образуют турбулентные пятна и, наконец, приводят к турбулизации течения. Существует множество работ, связанных с исследованиями этого сценария ламинарно-турбулентного перехода, как теоретических, так и практических. Вместе с тем существуют и другие пути перехода пограничных слоев из ламинарного в турбулентный режим течения.
Примером, существенно отличающимся от классического сценария, является ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое при повышенной степени турбулентности набегающего потока. Количество работ, связанных с исследованиями этого сценария ламинарно-турбулентного перехода значительно меньше классического при низкой степени турбулентности набегающего потока. На данный момент не существует теории, способной описать во всех нюансах механизм ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при повышенной степени турбулентности. Исследования в этой области ведутся в нескольких направлениях, таких как: алгебраический рост «оптимальных» возмущений, вторичная неустойчивость продольных структур, образование высокочастотных волновых пакетов-предвестников на фронтах локализованных возмущений. Так основой для теоретического описания линейной стадии ламинарно-турбулентного перехода при повышенной степени турбулентности является идея алгебраического роста возмущений, смысл которой лежит в трансформации возмущений продольной завихренности в нормальную к поверхности, называемый также эффектом опрокидывания вихря. Эта идея составляет фундамент решения задачи «оптимальных» возмущений — стационарных возмущений, обеспечивающих максимальный рост их энергии к определенному сечению при фиксированной начальной энергии возмущений. Тем не менее эти теоретические работы никак не описывают процессы возникновения и развития высокочастотных волновых пакетов, наблюдаемых в эксперименте при повышенной степени турбулентности набегающего потока (см., например, эксперименты M. Matsubara)
В данной работе исследованы волновые процессы, протекающие в областях фронтов продольных структур на прямом и скользящем крыльях в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока. Волновые пакеты, аналогичные исследованным в двумерных пограничных слоях, получены вблизи фронтов продольных структур в трехмерном течении на скользящем крыле. Определены характеристики волновых пакетов и порождающих их продольных возмущений. Показана возможность преобразования пред-
вестников волновых пакетов в турбулентные пятна, приводящих к турбулиза-ции течения в пограничном слое. Изучены характеристики этих пакетов и порождающих их продольных структур, в случае генерации возмущений источником, расположенным в набегающем потоке. Исследовано влияние градиента давления во внешнем потоке, а так же некоторых других параметров на характеристики и динамику развития волновых пакетов.
Цель и задачи работы
Основной целью данной диссертационной работы являлось исследование процессов ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое при повышенной степени турбулентности набегающего потока, связанного с образованием высокочастотных волновых пакетов-предвестников на фронтах продольных локализованных структур, в случае градиентного течения.
При этом были поставлены следующие основные задачи:
исследовать влияние степени турбулентности набегающего потока и амплитуды волнового пакета-предвестника на процесс его развития в пограничном слое прямого и скользящего крыльев при генерации контролируемых продольных локализованных возмущений с поверхности модели;
получить волновые пакеты-предвестники на фронтах продольных локализованных возмущений в пограничном слое прямого и скользящего крыльев при генерации продольных локализованных возмущений из набегающего потока;
определить влияние градиента скорости на переднем фронте продольного возмущения, амплитуды продольного возмущения, градиента скорости внешнего течения (угла атаки профиля) на процесс развития волнового пакета-предвестника в пограничном слое прямого крыла при генерации продольных локализованных возмущений из набегающего потока.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментального исследования влияния на процесс развития волнового пакета-предвестника в пограничном слое прямого и скользящего крыльев степени турбулентности набегающего потока и амплитуды начального возмущения при генерации возмущений с поверхности крыла;
Экспериментальные результаты исследования характеристик впервые полученных в пограничном слое прямого и скользящего крыльев высокочастотных волновых пакетов-предвестников, вблизи фронтов продольных возмущений, генерируемых из набегающего потока;
Полученные данные о влиянии градиента скорости на переднем фронте продольного возмущения, амплитуды продольного возмущения, градиента скорости внешнего течения (угла атаки профиля) на процесс развития волнового пакета-предвестника в пограничном слое прямого крыла при генерации продольных локализованных возмущений из набегающего потока.
Научная новизна работы
Экспериментально исследован механизм ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое прямого и скользящего крыльев, связанный с образованием и развитием на фронтах локализованных возмущений высокочастотных волновых пакетов-предвестников.
Получены данные о влиянии повышенной степени турбулентности набегающего потока на процесс развития волновых пакетов-предвестников.
Впервые в пограничном слое прямого и скользящего крыльев вблизи фронтов продольных возмущений, моделируемых из набегающего потока, получены высокочастотные волновые пакеты-предвестники, доказывающее возможность реализации такого механизма при повышенной степени турбулентности набегающего потока.
Экспериментально показано, что результат воздействия возмущения вводимого из набегающего потока и генерируемого с поверхности модели на пограничный слой качественно совпадают. Как и в случае введения возмущений с поверхности модели при генерации возмущений из набегающего потока происходит затухание возмущения в области благоприятного градиента давления, образование и рост на фронтах локализованного возмущения волновых пакетов-предвестников при переходе в область неблагоприятного градиента давления, с последующим развитием и преобразованием в -структуры.
Исследовано влияние градиента скорости на переднем фронте продольного возмущения, амплитуды продольного возмущения и градиента скорости внешнего течения на процесс развития высокочастотных волновых пакетов-предвестников.
Личный вклад автора
Автор участвовал в подготовке эксперимента, наладке измерительной аппаратуры, проведении экспериментов, разработке программного комплекса обработки экспериментальных данных, обработке и анализе полученных экспериментальных данных, подготовке публикаций к печати.
Научная и практическая значимость работы
В диссертации получены качественные и количественные данные о влиянии на процесс возникновения и развития волнового пакета-предвестника в пограничном слое прямого и скользящего крыльев некоторых параметров, таких как: степень турбулентности набегающего потока, амплитуда начального возмущения, градиент скорости на переднем фронте продольного возмущения, амплитуда продольного возмущения, градиент скорости внешнего течения (угол атаки профиля).
Полученные в диссертации экспериментальные данные расширяют представления о процессе ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое прямого и скользящего крыльев при повышенной степени турбулентности на-
бегающего потока. Кроме того данные могут быть использованы для построения различных теорий, а также для создания более совершенных инженерных методов расчета положения ламинарно-турбулентного перехода в пограничных слоях прямого и скользящего крыльев.
Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для организаций и специалистов, занимающихся исследованием проблемы возникновения турбулентности и задачами расчёта положения ламинарно-турбу-лентного перехода и управления пограничными слоями.
Обнаруженные в работе эффекты могут быть использованы при разработке и улучшении характеристик широкого класса аэродинамических устройств.
Достоверность результатов
Результаты, полученные в диссертации, представляются вполне достоверными. Использованные в работе оригинальные экспериментальные методики изучения устойчивости и восприимчивости пограничного слоя на моделях крыльев основаны на методе контролируемых возмущений, доказавшем свою результативность и надёжность в предыдущих исследованиях схожих задач. Основные измерения выполнены с применением хорошо апробированного термоанемометрического метода.
Эксперименты проведены в малотурбулентной аэродинамической трубе с высоким качеством потока и низким уровнем неконтролируемых возмущений. Все измерения выполнены при возбуждении в потоке возмущений контролируемого частотно-волнового спектра.
Результаты работы согласуются с опубликованными данными предыдущих исследований этого направления. Данные, полученные в различных разделах работы, дополняют друг друга и дают целостную, физически непротиворечивую картину изучаемого явления.
Важным свидетельством достоверности полученных в диссертации результатов является их достаточно серьёзная апробация на большом количестве российских и международных конференций, а также публикация основных результатов в рецензируемых научных журналах.
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлены в семнадцати публикациях, в том числе в трех журнальных статьях и трудах многочисленных российских и международных научных конференций и семинаров (см. список в конце автореферата). В том числе на XII Всероссийской молодежной конференции. «Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 2010), II, III Всероссийских семинарах «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (Новосибирск, 2010, 2011), Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (ICMAR) (Новосибирск, 2010, 2012), Всероссийской конференции «Нелинейные волны: теория и новые приложения» (Новосибирск, 2011), 8-ом тихоокеанском симпозиуме
по визуализации потока и обработке изображений (PSFVIP-8) (Москва, 2011), XXII Научно-технической конференция по аэродинамике (Москва, 2011), IX Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2012), XXIII Международном конгрессе по теоретической и прикладной механике (ICTAM) (Пекин, 2012) и других.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций по теме диссертации, списка цитируемой литературы и одного приложения. Общий объём 103 страницы, в том числе 38 рисунков.
Восприимчивость пограничного слоя при повышенной степени турбулентности
Результаты, полученные в диссертации, представляются вполне достоверными. Использованные в работе оригинальные экспериментальные методики изучения устойчивости и восприимчивости пограничного слоя на моделях крыльев основаны на методе контролируемых возмущений, доказавшем свою результативность и надёжность в предыдущих исследованиях схожих задач. Основные измерения выполнены с применением хорошо апробированного термоанемометрического метода.
Эксперименты проведены в малотурбулентной аэродинамической трубе с высоким качеством потока и низким уровнем неконтролируемых возмущений. Все измерения выполнены при возбуждении в потоке возмущений контролируемого частотно-волнового спектра.
Результаты работы согласуются с опубликованными данными предыдущих исследований этого направления. Данные, полученные в различных разделах работы, дополняют друг друга и дают целостную, физически непротиворечивую картину изучаемого явления.
Важным свидетельством достоверности полученных в диссертации результатов является их достаточно серьёзная апробация на большом количестве российских и международных конференций, а также публикация основных результатов в рецензируемых научных журналах.
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлены в 17 публикациях, в том числе в 3 журнальных статьях и трудах многочисленных российских и международных научных конференций и семинаров (см. раздел Список работ содержащих материалы диссертации). В том числе на XII Всероссийской молодежной конференции. «Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 2010), II, III Всероссийских семинарах «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (Новосибирск, 2010, 2011), Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (ICMAR) (Новосибирск, 2010, 2012), Всероссийской конференции «Нелинейные волны: теория и новые приложения» (Новосибирск, 2011), 8-ом тихоокеанском симпозиуме по визуализации потока и обработке изображений (PSFVIP-8) (Москва, 2011), XXII Научно-технической конференция по аэродинамике (Москва, 2011), IX Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2012), XXIII Международном конгрессе по теоретической и прикладной механике (ICTAM) (Пекин, 2012) и других.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций по теме диссертации, списка цитируемой литературы и одного приложения. Общий объём 103 страницы, в том числе 38 рисунков. Краткое содержание работы
Введение содержит обоснование актуальности темы диссертационной работы, выполнен анализ развиваемого научного направления, сформулированы наиболее важные научные результаты и основные положения, выносимые на защиту и т. п. — по содержанию, введение пересекается с авторефератом.
В главе I описывается обзор предыдущих экспериментальных, теоретических и численных исследований по теме настоящей диссертации. Рассматривается текущее состояние исследований процесса ламинарно-турбулентного перехода при повышенной степени турбулентности набегающего потока. Основное внимание уделяется исследованию восприимчивости пограничного слоя при повышенной степени турбулентности набегающего потока. Обосновывается важность выбранного направления исследований.
Глава II посвящена экспериментальному изучению волновых пакетов-предвестников, возникающих в пограничных слоях, в областях, предшествующих резкому локальному изменению скорости потока внутри пограничного слоя (фронты локализованного возмущения) в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока и на примере эксперимента описывается используемый подход к исследованиям и методы экспериментального изучения ламинарно-турбулентного перехода.
В главе III рассмотрены особенности образования и развития вниз по потоку волновых пакетов-предвестников при обтекании прямого и скользящего крыльев в случае генерации контролируемых возмущений из набегающего потока. Волновые пакеты-предвестники в такой постановке задачи были получены впервые.
Результаты и обсуждение
Эксперименты, проведенные в работе [39] с использованием контролируемых возмущений показали, что результатом взаимодействия локализованного возмущения, генерируемого вдувом/отсосом через отверстие на плоской пластине, с пограничным слоем плоской пластины является возникновение в нем вихревых образований. Эти вихревые образования отличны от ранее изученных линейных волновых пакетов, отдельных турбулентных пятен и волн Толлмина — Шлихтинга.
Авторы условно назвали новый тип возмущений «пафф» (от англ. «puff» — порыв). Характерными особенностями этого возмущения являются: локализация (нерасплывание) в трансверсальном направлении; расположение максимума интенсивности пульсаций выше от стенки, в
отличие от волны Толлмина — Шлихтинга; скорость распространения переднего фронта возмущения до 0,9U, а заднего около 0,5U; затухание вниз по потоку в широком диапазоне амплитуды возбуждающего возмущения. В настоящее время термин «пафф» сосуществует с более содержательными терминами «локализованное возмущение» и «полосчатая структура» [40], [41].
Результаты исследований эволюции локализованных возмущений, генерируемых в пограничном слое через отверстие и щель на плоской пластине представлены в работах [39], [42], [43]. Авторы отмечают качественное сходство интегральных характеристик возмущения с результатами возбуждения пограничного слоя из набегающего потока. Если начальные амплитуды возмущений достаточно велики, то в дальнейшем локализованные возмущения преобразуются в турбулентные пятна.
Более детальные исследования восприимчивости ламинарного пограничного слоя к локализованным во времени и пространстве возмущениям набегающего потока были проведены в работе [44]. Авторами было показано, что сложное по структуре возмущение внешнего течения, взаимодействуя с пограничным слоем, преобразуется в полосчатую структуру — продольные полосы избытка и недостатка скорости. Это возмущение обладает некоторыми характеристиками, которые имеют место у возмущений пограничного слоя при повышенной степени турбулентности набегающего потока: полосчатость, узость поперечных масштабов и большая интенсивность продольной компоненты скорости возмущения. Кроме того, было показано, что в широком диапазоне амплитуд начального возмущения эволюция искаженного течения в пограничном слое практически не зависит от интенсивности возмущения, что, как считают авторы, может указывать на общие механизмы искажения течения пограничного слоя трехмерными возмущениями набегающего потока.
В экспериментах [45] было показано, что в пограничном слое могут возбуждаться как симметричные, так и несимметричные паффы, в зависимости от направления вектора скорости вводимого возмущения u относительно передней кромки модели. Характерными особенностями несимметричного паффа, состоящего из области избытка и области недостатка скорости, являются направленная под углом к вектору скорости ось симметрии возмущения и распространение паффа вниз по потоку под углом к вектору скорости.
В этой же работе были проведены эксперименты на прямом крыле для изучения особенностей возникновения и развития паффов в градиентном течении. Согласно предположению, более толстый пограничный слой на крыле способен преобразовать большую часть одного и того же возмущения, чем тонкий на плоской пластине. Это предположение подтвердилось как для случая низкой степени турбулентности набегающего потока, так и для повышенной Tu = 2%.
В последнее время активно совершенствуется метод PIV (Particle Image Velocimetry), позволяющий существенно упростить проведение аэродинамических экспериментов. Так, например, в работе [46] при помощи PIV проводились исследования линейной устойчивости течения с отрывом ламинарного потока. В экспериментах удалось разрешить минимальные амплитуды контролируемых возмущений порядка 0,1% U, что, однако, ниже аналогичного параметра термоанемометрического метода. В общем случае, при использовании метода PIV в базовой конфигурации, минимальная разрешающая способность оказывается еще ниже — на уровне нескольких процентов U.
Управление ламинарно-турбулентным переходом
Известно, что затягивание ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое может значительно снизить сопротивление обтекаемых тел. Методы управления ламинарно-турбулентным переходом можно разделить на две группы. К первой группе относятся методы, изменяющие характеристики устойчивости исходного течения. Эти методы управления основаны на выводах линейной теории устойчивости и призваны видоизменить среднее течение в пограничном слое, обеспечив его большую устойчивость к возмущениям потока. Примерами таких методов являются: оптимизация контура обтекаемого тела, обеспечивающая благоприятный продольный градиент давления; охлаждение/нагревание поверхности в воздушном/водном потоке ([47], [48], [49]); отсос пограничного слоя или вдув струй через щели в поверхности или ее перфорированные участки ([50], [51], [52]); вибрирующие пластины ([53], [54], [55]) или ленты ([56], [57]). Прямое численное моделирование периодического вдува/отсоса, как метода управления, исследовалось в [58].
Методика эксперимента
Использованный в предыдущей главе метод генерации возмущений с поверхности модели очень удобен для понимания принципов происходящих процессов и построения фундамента теоретических моделей. Однако, такой подход оказывается наиболее отдаленным от реального положения дел при обтекании крыльев в естественных условиях. Главным отличием является то, что возмущение, налетающее из набегающего потока на пограничный слой, должно сначала с ним провзаимодействовать, тогда как при генерации на поверхности модели возмущение уже находится внутри пограничного слоя. Использование метода генерации контролируемых возмущений из набегающего потока позволит приблизиться к естественным условиям проведения эксперимента, сохранив при этом эксперимент воспроизводимым.
В схожей по постановке задачи работе [86] исследовалось взаимодействие локализованных возмущений, сгенерированных из набегающего потока, с волной Толлмина — Шлихтинга в пограничном слое плоской пластины. Однако, метод генерации возмущений с использованием акустического динамика позволил проводить только исследования паффов — коротких импульсов с пологими фронтами, на которых было затруднено образование волновых пакетов-предвестников.
В данной главе рассмотрены особенности образования и развития вниз по потоку волновых пакетов-предвестников при обтекании прямого и скользящего крыльев в случае генерации контролируемых возмущений из набегающего потока. Волновые пакеты-предвестники в такой постановке задачи были получены впервые. Показано качественное совпадение результатов воздействия возмущений на пограничный слой со случаем генерации с поверхности модели.
Методика эксперимента
Экспериментальная установка повторяла установку, использованную в главе II. Скорость набегающего потока составляла /„ = 6,8 м/с, турбулизирующие сетки не использовались, степень турбулентности потока не превышала Ти = 0,18% Ц». Профили устанавливались горизонтально в середине рабочей части, при угле атаки a = -3 для прямого крыла и
a = -1,2 для скользящего (Рис. 14). Продольные возмущения генерировались методом вдува воздуха через трубку, расположенную перед носиком крылового профиля и ориентированную под углом 30 к направлению потока. Диаметр трубки составлял 2,5 мм. Центр среза трубки располагался в 2,5 мм выше по потоку от носика профиля, высота трубки относительно профиля подбиралась таким образом, чтобы след от трубки не проникал в пограничный слой над профилем.
Вдув воздуха осуществлялся с помощью компрессора. Далее на Рис. 14: Схема эксперимента пневмотрассе была установлена 20-ти литровая успокоительная емкость. Длительность воздействия на пограничный слой регулировалась быстродействующим электромагнитным клапаном, синхронизированным с системой записи сигнала. Перед источником возмущений дополнительно устанавливался демпфер переменного объема (около 35 мл), который позволял изменять градиенты скорости du/dt на переднем фронте искусственного продольного возмущения. Следует заметить, что локальный градиент du/dt может быть преобразован в пространственный градиент скорости du/dХ, исходя из постоянства скорости распространения продольного возмущения.
Поскольку величины градиентов скорости на фронтах существенно влияют на развитие волновых пакетов в областях, предшествующих фронтам продольного локализованного возмущения, объем демпфера выбирался таким, чтобы динамика развития волновых пакетов была видна наилучшим образом. Начало системы координат было выбрано на передней кромке крыла по середине размаха крыла. Ось X была направлена вдоль потока, ось Z — параллельно передней кромке прямого крыла, ось Y — перпендикулярно осям X, Z. Для удобства измерений на скользящем крыле наряду с системой координат (O, X, Y, Z) использовалась дополнительная система координат (O, X1, Y, Z1): ось Z1, совпадающая по направлению с передней кромкой, и ось X1, ортогональная оси Z1, использовались для описания положения сечений во время измерений.
При обработке результатов измерений фильтрация сигнала производилась с применением прямого и затем обратного преобразования Фурье в выделенном диапазоне частот. Пример фильтрации представлен на Рис. 15. Прямое преобразование Фурье для осциллограммы сигнала с датчика термоанемометра дает представление о его спектральном составе, затем выбирается область частот, содержащая исследуемое возмущение — волновой пакет, при этом отбрасываются все остальные частоты (принимаются равными нолю). Для модифицированного таким образом частотного спектра производится обратное преобразование Фурье, восстанавливающее сигнал в координатах амплитуда-время. Эта дополнительная фильтрация сигнала позволяет еще сильнее улучшить соотношение сигнал/шум и выделить относительно слабый полезный сигнал.
Результаты и обсуждение
В модельном эксперименте в пограничном слое прямого крыла исследованы характеристики и особенности развития волновых пакетов-предвестников и генерирующих их продольных структур. Показано, что генерируемые в набегающем потоке локализованные возмущения порождают в пограничном слое прямого крыла продольные полосчатые структуры, на переднем фронте которых возникают высокочастотные волновые пакеты-предвестники. Исследована динамика развития волновых пакетов в зависимости от следующих характеристик: градиента скорости вблизи переднего фронта продольного возмущения, амплитуды продольного возмущения и градиента скорости над профилем.
Введение
В предыдущей главе получено подтверждение факта образования волновых пакетов-предвестников на фронтах локализованных структур в пограничном слое прямого и скользящего крыльев в случае генерации контролируемых возмущений из набегающего потока.
В данной главе более подробно рассмотрены особенности возникновения и развития вниз по потоку волновых пакетов-предвестников в пограничном слое прямого крыла в случае генерации контролируемых возмущений из набегающего потока. Ранее в схожей по тематике работе [25] при генерации возмущений с поверхности модели исследовалось поведение волновых пакетов-предвестников в градиентных течениях для двух крайних случаев: благоприятного и неблагоприятного градиентов давлений; кроме того, все эксперименты проводились для возмущений малых амплитуд. В данной работе рассмотрено влияние градиента давления внешнего течения (угла атаки профиля), градиента скорости на переднем фронте продольного возмущения и амплитуды продольного возмущения на возникновение и развитие волновых пакетов-предвестников.
Методика эксперимента Экспериментальная установка повторяла установку, использованную в главе III. Эксперименты проводились на модели прямого крыла, устанавливаемого горизонтально в рабочей части аэродинамической трубы под углами a = 1,2, 3 и 5,2 (Рис. 26). Контролируемые возмущения вводились в пограничный слой из набегающего потока. Скорость набегающего потока составляла Uw = 3,2 м/с, степень турбулентности потока не превышала Ти = 0,18% Ц».
Градиенты скорости du/dt на переднем фронте искусственного продольного возмущения задавались с помощью демпфера с переменным объемом, установленного между клапаном и трубкой.
Как и в предыдущей главе, при обработке результатов эксперимента применялась дополнительная фильтрация сигнала, использующая прямое и Рис. 26: Схема эксперимента затем обратное преобразование Фурье в выделенном диапазоне частот (Рис. 15). Дальнейшая обработка результатов измерений также проводилась на компьютере с использованием программы пространственно-временного Фурье-анализа по методике, изложенной в работе [84].
Результаты и обсуждение Градиентное течение, в условиях которого проводился эксперимент, создавалось за счет обтекания профиля прямого крыла при углах атаки a = -1,2, 3 и 5,2. Сначала были измерены характеристики невозмущенного течения — распределение средней скорости в рабочей части над профилем вдоль оси X (Рис. 27) и профили пограничного слоя при X/С1 = 0,07, Рис. 27: Распределение средней скорости свободного потока при различных углах атаки профиля X/С1 = 0,34, X/С1 = 0,62, X/С1 = 0,97 (Рис. 28) для трех значений угла атаки. Как показывает анализ распределений скорости (Рис. 28), при всех исследованных углах атаки течение в пограничном слое без введения контролируемых возмущений является ламинарным и практически автомодельным. При a = -5,2 автомодельность течения наиболее ярко выражена, поскольку наблюдается минимальное расхождение в профилях скорости, что обусловлено практически нулевым градиентом давления на участке от X/С1 = 0,48 и далее вниз по потоку (Рис. 27). При увеличении угла атаки профиля область неблагоприятного градиента давления увеличивается (Рис. 27), что также наблюдается в расхождении профилей Рис. 28: Распределение скорости внутри пограничного слоя при различных углах атаки профиля скорости (Рис. 28) – они становятся более наполненными.
Попадая в пограничный слой из набегающего потока, локализованное возмущение воздействует на пограничный слой и порождает в нем продольную структуру, вблизи фронтов (в областях, предшествующих резкому изменению скорости) которой возникают волновые пакеты-предвестники. Как было показано в Главе III, в области неблагоприятного градиента при движении вниз по потоку происходит интенсивный рост амплитуды пакетов-предвестников. На Рис. 29 представлены графики изменения амплитуд волновых пакетов-предвестников для трех углов атаки профиля. Видно, что при a = -5,2 волновые пакеты-предвестники затухают, поскольку при этом угле атаки от X/С1 = 0,48 и далее вниз по потоку реализуется течение с нулевым градиентом давления. С увеличением угла атаки профиля на крыле образуется область с неблагоприятным градиентом давления, которая приводит к росту амплитуды волновых пакетов-предвестников. При этом отчетливо видно, что рост неблагоприятного градиента давления ускоряет темп роста амплитуды волновых пакетов-предвестников.
Далее были проведены исследования по возбуждению волновых пакетов-предвестников продольными локализованными структурами, введенными из набегающего потока и имеющими различные характеристики. Исследования проводились при a = -1,2. Осциллограммы сигнала образовавшихся продольных структур представлены на Рис. 30. Было рассмотрено влияние градиента скорости вблизи переднего фронта возмущения (Рис. 30 возмущения 1 и 2).
