Введение к работе
Актуальность темы. Влияние пульсационных процессов на характер обтекания тел потоком, на структуру самого потока велико - это и инициирование перехода от ламинарного течения к турбулентному, и изменение положения зоны отрыва потока, и влияние на аэродинамические характеристики профилей и многие другие явления. При этом роль пульсаций, Физическая природа их воздействия обычно менее изучена по сравнению с последствиями этого воздействия. Создание физических и математических моделей, расчетных методов требует наличия информации о структуре пульсаций. Этим объясняется большой интерес как к результатам исследований пульсаций с помощью известных методов, так и к разработке перспективных методов измерений.
При разработке и выборе методов и средств измерений нестационарных процессов в высокоскорпстных сжимаемых потоках должны быть приняты во внимание многие обстоятельства - вид пульсаций, наличие одновременно нескольких типов пульсаций и, соответственно, совместное их влияние на чувствительный элемент, высокочастотный характер пульсаций, вносимые датчиками возмущения в поток, пространственная разрешающая способность и т.д.
До настоящего времени наиболее распространенным и универсальным методом измерения пульсаций остается термоанемометрический. При малых скоростях потока техника термоанемометрических измерений всесторонне и глубоко развита и в распоряжении исследователей имеется большой выбор датчиков (однониточных и многониточных, с расположенными под различными углами нитями, вращающиеся датчики и т.д.) , что позволяет выполнять сложные измерения пульсаций компонентов вектора скорости, их корреляций и т.д. При больших скоростях практическое использование термоанемометра сопровождается необходимостью решения ряда проблем.
Исследования по переходу к турбулентности в пограничном слое при сверхзвуковых скоростях, достигшие максимума в
70...80Г.Г., потребовали изучения структуры пульсаций в набегающем потоке, их взаимодействия с пограничным слоем (проблема восприимчивости) , усиления в ламинарном пограничном слое.
При больших дозвуковых скоростях проблема измерения пульсаций во многом обусловлена тем обстоятельством, что приближение к воспроизведению натурных чисел Рейнольдса и использование новых технологий в аэродинамическом эксперименте (криогенные аэродинамические трубы, адаптивные гибкие либо перфорированные стенки рабочих частей, магнитная подвеска моделей) повысило роль пульсаций в адекватности моделирования обтекания моделей во вязких сжимаемых дозвуковых потоках.
Цель работы заключалась в развитии методов термоанемометрии и их применении в области сжимаемых дозвуковых и сверхзвуковых течений, что включало создание удовлетворяющей соответствующим требованиям аппаратуры и методики ее использования, интерпретации результатов измерений, исследование пульсационных процессов в однородных и сдвиговых течениях.
Научная новизна. На время выполнения данной работы использование термоанемометра в сжимаемых потоках в стране было эпизодическим из-за отсутствия удовлетворяющей требованиям аппаратуры и необходимых для корректных измерений методик. За рубежом были получены немногочисленные данные с применением термоанемометра при сверхзвуковых скоростях благодаря работам Коважного, Морковина, Лауфера (США) , Фавра, Гавильо (Франция) и др. Работы по разработке и применению термоанемометров при больших скоростях велись параллельно в ИТПМ СО АН СССР и в ЦАГИ им. проф. Н.Е.Жуковского. Попытки применения термоанемометра при трансзвуковых скоростях потока (Морковин, Хорстманн и Роуз, Нг, Стейнбек и др.) не принесли ощутимых положительных результатов.
Предложенные в работе принципы построения схем термоанемометров постоянного тока, защищенные авторскими свидетельствами, позволили создать серию новых термоанемометров, значительно превосходящих по частотному диапазону и допускаемым постоянным времени датчиков имеющиеся в стране приборы.
Получены новые результаты при анализе характеристик датчиков термоанемометра (коэффициентов чувствительности к различным
возмущениям, постоянных времени и т.д.)
Впервые проведены детальные параметрические исследования характеристик пульсаций в сверхзвуковых аэродинамических трубах, за сотовыми соплами, турбулентности, создаваемой в сверхзвуковом потоке решетками.
Теоретически получены и экспериментально подтверждены соотношения, описывающие реакцию термоанемометра на акустические возмущения при дозвуковых скоростях потока. Новыми являются данные по измерению пульсаций, полученные с помощью термоанемометра в рабочих частях трансзвуковых аэродинамических труб, в том числе использование данных для отдельных участков спектра.
Новыми являются данные о характеристиках пульсаций в пограничных слоях при сверхзвуковых скоростях набегающего потока и данные по влиянию притупления передней кромки модели на структуру ламинарного пограничного слоя.
Впервые экспериментально показана определяющая роль спектрального состава возмущений по сравнению с их интенсивностью, и роль притупления передней кромки модели во влиянии единичного числа Рейнольдса на положение перехода к турбулентности в пограничном слое плоской пластины.
Впервые выполнен весь комплекс работ, включающий создание аппаратуры, ее использование, разработку методик, выполнение исследований нестационарных процессов в сжимаемых потоках газа.
Научная и практическая ценность. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, обеспечили проведение многих исследований пульсационных характеристик при сверхзвуковых и трансзвуковых скоростях потока -как с участием соискателя, так и другими исследователями.
Данные по структуре пульсаций в сверхзвуковых потоках необходимы при исследованиях роли начальных возмущений в процессе перехода от ламинарного течения к турбулентному в пограничном слое, при разработке малошумных аэродинамических труб, при реализации натурных чисел Рейнольдса, при разработке газодинамических лазеров, при управлении положением перехода на моделях и во многих других задачах.
Развитие методики экспериментального исследования
устойчивости ламинарного пограничного слоя обеспечило выполнение работ по развитию исскуственных возмущений в сдвиговых течениях.
Благодаря разработке теоретических основ интерпретации данных термоанемометрических измерений при больших дозвуковых скоростях появилась возможность широкого применения термоанемометра в сжимаемых дозвуковых потоках, особенно при изучении характеристик пульсаций в рабочих частях трансзвуковых аэродинамических труб, исследовании возможности подавления нежелательных возмущений, изучении их влияния на аэродинамические характеристики моделей.
Получен большой экспериментальный материал для верификации полуэмпирических методов расчета характеристик сложных сжимаемых турбулентных течений.
На защиту выносятся:
- исследования по усовершенствованию аппаратуры для
термоанемометрических измерений;
методика определения чувствительности датчиков термоанемометра к различным возмущениям и методы интерпретации данных термоанемометрических измерений в сжимаемых потоках;
экспериментальные данные по структуре пульсаций в сверхзвуковом потоке, создаваемом соплом Лаваля, сотовыми соплами, за решетками из круглых стержней;
- методические вопросы исследования пульсаций в ламинарных
и турбулентных пограничных слоях при сверхзвуковых скоростях
потока, результаты экспериментальных исследований по влиянию
отдельных факторов на развитие возмущений в ламинарном пограничном
слое и переход к турбулентному режиму течения;
результаты исследования характеристик акустических пульсаций, создаваемых в трансзвуковом потоке источниками различного типа.
Апробация работы. Материалы диссертации
докладывались на всесоюзных конференциях по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1979, 1986, 1989) , ХШ Симпозиуме по актуальным проблемам и методам в механике жидкостей и газов (Ольштин, Польша, 1977); всесоюзных конференциях по проблемам турбулентных течений (Жданов, 1977, 1983, 1986, 1988);
научно-технической конференции "ТеплоФизические измерения в решении актуальных задач современной науки и техники" (Киев, 1985); 4 международной конференции по измерениям турбулентности (Карл-Маркс- Штадт, ГДР, 1988); 13 конгрессе по методам измерений в аэрокосмических установках - ICIASP'89 - (Геттинген, ФРГ, 1989); международном семинаре по проблемам моделирования в аэродинамических трубах (Новосибирск, 1988); международной конференции "Методы аэрофизических исследований" - ICMAR'92 -(Новосибирск, 1992); всесоюзных семинарах "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики (Алушта, 1989, 1991); Второй межотраслевой научно-технической конференции "Проблемы газовой динамики двигателей и силовых установок" (Москва, ЦИАМ, 1990); ежегодной научной школе-семинаре ЦАГИ "Механика жидкости и газа" (Жуковский, 1991); международной конференции по адаптивным стенкам аэродинамических труб - IGAW91 (Сиань, Китай,1991); на научных семинарах Аризонского университета (Финикс, США); университета Олд Доминион (Норфолк, США); Вирджинского политехнического института и университета (Блэксбург, США).
Результаты, приведенные в диссертации, обсуждались также на семинарах РГГПМ "Аэродинамика больших скоростей", "Динамика вязкой жидкости и турбулентность", в ЦАГИ им. проф. ЕЕ.Жуковского и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе 45 печатных, среди них 2 авторских свидетельства. Основные результаты содержатся в работах /I - 32/. Структура и объем. Диссертация состоит из Введения, 7 глав, Заключения, списка использованной литературы, приложений. Полный объем - 352 стр., в том числе 221 стр. машинописного текста, ГЗІ стр. иллюстраций. Список литературы включает 265 наименований.