РАЗДЕЛ 2
Экспериментальная установка, программа и методика измерений
В соответствии с постановкой задачи диссертационной работы необходимо провести экспериментальные исследования по изучению структуры течения в ограниченных закрученных потоках в вихревой камере, полуцилиндрическом и полусферическом углублениях на плоской поверхности. Для этого нужно модернизировать экспериментальный стенд, разработать программу и методику исследований. Провести измерения, обработать и проанализировать результаты экспериментов. Выявить характерные особенности структуры течения в вихревой камере и локальных углублениях с криволинейной поверхностью. Определить общие закономерности формирования когерентных вихревых структур и наметить некоторые методы управления ими.
2.1. Программа экспериментальных исследований
Для изучения формирования когерентных вихревых структур в закрученных потоках и углублениях необходимо:
1. Усовершенствовать рабочий участок аэродинамического стенда в виде вихревой камеры с изменяемой скоростью подачи струи, углами подвода входящей струи, длиной тупиковой и активной зон вихревой камеры. Стенд должен быть укомплектован средствами контроля и измерений исследуемых параметров течения, аппаратурой регистрации, обработки и анализа экспериментальных данных.
2. Переоборудовать аэродинамическую установку на базе стенда для создания условий обтекания плоской пластины с локальным полуцилиндрическим или полусферическим углублением. Обеспечить ламинарный и турбулентный режим обтекания. Предусмотреть возможность изменения размеров и формы углублений, а также других усовершенствований в углублениях для управления формированием структуры течения в них.
3. Первоначально провести визуализационные исследования с целью уменьшения объема инструментальных измерений течений в закрученных ограниченных потоках и получения их кинематических характеристик.
4. На базе визуализационных исследований, проведенных различными методами и средствами, определить характерные области вихревых течений и места формирования когерентных вихревых структур в исследуемых потоках.
5. Спланировать проведение инструментальных измерений кинематических характеристик в характерных областях исследуемых закрученных потоков и выявить когерентные вихревые структуры в них.
6. Провести термоанемометрические измерения, обработать и проанализировать экспериментальные результаты. Обобщить их и сопоставить с имеющимися литературными данными.
7. Выявить общие закономерности формирования когерентных вихревых структур в закрученных потоках и углублениях и провести исследования по управлению ими.
2.2. Экспериментальный стенд
Экспериментальные исследования проводились на аэродинамическом стенде (автор В.Н. Турик), представляющем собой аэродинамическую трубу открытого типа, работающую на всасывание воздуха из лабораторного помещения [46, 70]. На этом стенде с соответствующими усовершенствованиями проводились исследования внутренних вихревых течений в вихревой камере и углублениях на плоской поверхности.
2.2.1 Вихревая камера.
Экспериментальная установка состоит из аэродинамической вихревой камеры, измерительного комплекса, содержащего термоанемометрическую аппаратуру фирмы Диза, оборудования лазерного контроля датчиков, средств визуализации и видео-, фотоаппаратуры.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.1. Рабочий участок стенда (1) представляет собой прозрачную, изготовленную из органического стекла, вихревую камеру с фиксируемым в различных положениях глухим торцом (2). Вихревая камера - это цилиндрическая труба внутренним диаметром do=102?10-3 м и длиной lo=635?10-3 м. Подвод воздуха осуществлялся через одиночные сменные сопла (3) прямоугольного поперечного сечения 41?10-3?25?10-3 м2 со скруглениями при вершинах. Сменные сопла устанавливались между торцом (2) и промежуточным участком (4). Промежуточный участок аэродинамической трубы тем же диаметром и длиной, превышающей 5 ее калибров, соединяли через диффузор и резиновую вибродемпфирующую вставку с центробежным вентилятором (5). В напорной части вентилятора был установлен расходомерный участок (8) (рис. 2.2) длиной более 40 калибров с пневмометрической трубкой двойного динамического напора "карандашного" типа (9). Трубка импульсными линиями была подключена к спиртовому дифференциальному манометру (рис. 2.3). На расстоянии, превышающем 5 калибров трубопровода от пневмометрической трубки, расположен выходной участок аэродинамической трубы с установленными шиберами (6) и (10), служащими для регулирования расхода воздуха (рис. 2.1). Все внутренние стыки в соединительных узлах тщательно заглаживались в соответствии с общепринятыми рекомендациями [63] и обрабатывались специальными пастами типа "Герметик".
Контроль и измерение экспериментальных данных осуществлялись при помощи контрольно-измерительной аппаратуры (вольтметры, осциллографы, частотомеры, усилители), пневмометрических трубок Пито, Пито-Прандтля, термоанемометрической аппаратуры фирмы Диза (рис. 2.4). Регистрация данных проводилась на измерительный четырехканальный магнитофон фирмы Брюль и Къер. Обработка и анализ данных осуществлялись при помощи спектроанализирующей аппаратуры фирмы Брюль и Къер, а также на персональном компьютере.
На входе в рабочий участок (цилиндр) направление воздуха соответствует направлению впускного сопла и образует угол ? (угол тангенциальности) и угол ? (осевой угол) к оси рабочего участка. Углы тангенциальности и осевые углы во время измерений варьировались: ?=32??90? (0,559 рад?1,571 рад) (рис. 2.5), ?=-20??20? (-1,047 рад?1,047 рад) (рис. 2.6). Диапазон изменения чисел Рейнольдса, определенных по средней скорости воздуха в сопле и его эквивалентному диаметру, составлял Rec= =U?d/??(5...?)???4. Расстояние от торца до сопла (L/d) изменялось от 0,6 до 4,4.
В торце вихревой камеры устанавливалось координатное устройство (см. рис. 2.4), в котором через соотв