Управление течением в изотермическом и неизотермическом следах

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ И
ГЛАВА 1
ИДЕНТИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЕМ В СЛЕДЕ 18
1.1. Метод разделитель ной пластины 18
1.2. Выдув низконапорной струи из основания модели 28
1.3. Метод формирования специальной задней кромки модели 32
1.4. Метод «вихревых» ячеек 38
1.5. Выводы 40 ГЛАВА 2
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК, МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ 44
2.1. Параметры аэродинамических труб, описание моделей 45
2.1.1. Аэродинамический канал Института гидродинамики
общества Макса Планка 45
2.1.2. Аэродинамическая труба Института термо - и гидродинамики
Рурского университета 47
2.1.3. Воздушный канал АНК ИТМО НАНБ 49
2.2. Методика измерения донного сопротивления моделей 51
2.3. Методика измерения полного аэродинамического сопротивления 54
2.4. Методика измерения профиля скорости в пограничном слое 55
2.5. Методики измерения характеристик турбулентности следного течения 55
2.5.1. Методика определения средней скорости и пульсаций компонент скорости 56
2.5.1.1. Калибровка однониточного датчика 5 8
2.5.1.2. Калибровка датчика со скрещенными нитями 59
2.5.1.3. Анализ выходного сигнала анемометра и преобразование его в
значения скорости и пульсаций скорости 62
2.5.2. Методика определения микромасштабов поля скорости и моментов второго, и третьего порядка пульсаций скорости 67
2.5.3. Методика измерения параметров поля температуры и смешанных моментов пульсаций скорости и температуры 69
2.5.4. Методика измерения спектральных распределений пульсаций скорости 70
2.6. Методика визуализации течения за двумерной моделью 71
і
ГЛАВА 3
УПРАВЛЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЕМ МОДЕЛИ И СТРУКТУРОЙ БЛИЖНЕГО СЛЕДА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ НИЗКОНАПОРИОЙ СТРУИ
3.1. Зависимость донного давления от коэффициента расхода и конфигурации струи
3.1.1. Истечение центральной струи
3.1.3. Истечение двух симметричных струй
3.1.3. Влияние полости па величину донного давления
3.2. Трансформация частотной характеристики течения в следе
3.2.1. Истечение центральной струи
3.2.1.1. Динамика развития спектра пульсаций скорости в сечении следа
3.2.2. Истечение двух симметричных струй
3.2.3. Влияние размера полости
3.3. Структура поля скорости течения в следе
3.3.1. Изменение динамических характеристик течения под влиянием полости на основании модели
3.3.1.1. Профили средней скорости
3.3.1.2. Профили пульсаций скорости
3.3.1.3. Вырождение динамических параметров течения в следе
3.3.2. Влияние расходных и геометрических параметров струи па развитие динамических параметров течения
3.3.2.1. Поле средней скорости
3.3.2.2. Поле пульсации скорости
3.3.2.3. Режим самодвижения (нулевого избыточного импульса)
3.4. Визуализация области течения, примыкающей к модели
3.5. Изменение сопротивления модели под влиянием струи
3.6. Механизм воздействия истекающей струи и полости на формирование вихревого следа
3.7. Выводы ГЛАВА 4
УПРАВЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ТЕЛА И СТРУКТУРОЙ БЛИЖНЕГО СЛЕДА С ПОМОЩЬЮ ПЛАСТИН, УСТАНАВЛИВАЕМЫХ ВНУТРИ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ
4.1. Параметры пограничного слоя на верхней поверхности модели
4.2. Распределение давления по контуру и основанию базовой модели
4.3. Изменение давления в пограничном слое и на основании модели 11 од вл иян 11 с м 11 л аст и 11
4.3.1 Одиночная ллас‘1 и на
4.3.2. Тандем пластин
4.3.3. Три пластины
4.4. Снижение полного сопротивления модели с помощью пластин
4.5. Характеристики поля скорости течения в следе за моделью
4.6. Механизм воздействия пластины на структуру пограничного слоя
4.7. Выводы ГЛАВА 5
УПРАВЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ТЕЛА И СТРУКТУРОЙ БЛИЖНЕГО
СЛЕДА С ПОМОЩЬЮ ВИХРЕВЫХ ЯЧЕЕК И ВЫДУВА ДВУХ СИММЕТРИЧНЫХ СТРУЙ (ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ) 153
5.1. Расчетный алгоритм 154
5.1.1. Уравнение количества движения 155
5.1.2. Расчет метрики 161
5.1.3. Уравнение для коррекции давления 162
5.1.4. Сеточная структура 165
5.2. Тестирование расчетного алгоритма 170
5.2.1. Обтекание поперечного цилиндра 170
5.2.2. Обтекание эллиптического цилиндра 173
5.3. Анализ результатов нестационарных вихревых течений 178
5.3.1. Расчет ламинарного обтекания кругового цилиндра с пассивными
и активными вихревыми ячейками 178
5.3.2. Ближний след за толстой пластиной со скругленной передней
кромкой и кормовыми цилиндрами 185
5.3.3. Турбулентное обтекание кругового цилиндра с выдувом двух симметричных струй в кормовую область 199
5.4. Выводы 204
ГЛАВА 6
УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ ТЕЧЕНИЯ В СЛЕДЕ С ПОМОЩЬЮ ИСТЕЧЕНИЯ Н Е ИЗОТЕР М И Ч ЕС КОЙ СТРУИ 206
6.1. Динамические характеристики течения за моделью 207
6.1.1.1Іоле средней скорости 207
6.1.2. Пульсации скорости 210
6.1.3. Масштабы поля скорости 212
6.2. Характеристики поля температуры 214
6.2.1. Динамика изменения средней температуры 214
6.2.2. Динамика изменения пульсаций температуры 217
6.2.3. Макро и микромасштабы теплового следа 219
6.2.4. Локальная изотропия температурного поля 222
132
136
138
139 143 151
6.2.5. Одноточечные смешанные моменты скоростных и температурных пульсаций. 225
6.2.6. Баланс температурных пульсаций 229
6.3. Анализ модельных соотношений для тройной смешанной корреляции скорости и температуры 233
6.3.1. Момент и2в2 236
6.3.2. Момент ирА 239
6.4. Выводы 244 ГЛАВА 7
УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛАХ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ 246
7.1. Анализ методов формирования вихревых структур в потоках теплоносителя 248
7.2. Метод генерации нестационарной циркуляции 251
7.3. Экспериментальное сравнение эффективности теплообменников, реализующих в своей конструкции различные механизмы передачи тепла от теплоносителя к стенкам каналов 252
7.3.1. Технические характеристики стенда и теплообменников 252
7.3.2. Анализ результатов испытаний теплообменников 256
7.4. Выводы 262
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 264
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 266
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
СПЕКТР ПРОДОЛЬНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ В СЕЧЕНИИ СЛЕДА 277 ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЧЕНИЯ ЗА МОДЕЛЯМИ 1-9 298
АКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 310
ПЕРЕЧЕНЬ УС ЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
6
Ср - коэффициент давления, Ср = [р, - р )/0,5 ри2,
Сч- коэффициент выдува, Сд = О ,
Сх, Со - коэффициент полного аэродинамического сопротивления тела, коэффициент профильного сопротивления,
О,- коэффициент донног о сопротивления,
Схг коэффициент сопротивления трения,
Су- коэффициент подъемной силы,
/- частота схода сдвиговых слоев с кромки модели, [Гц] р, - статическое давление в 1-й точке, [Па] р - статическое давление в потенциальном потоке, [Па]
()} - расход выдуваемой струи, [м7с]
Орасход потенциального потока через поперечное сечение модели, [м3/с]
С/х - скорость потенциального течения, [м/с]
А и =1/ - С/-,- дефект средней скорости, [м/с] м, 11 г продольные пульсации скорости, [м/с]
V, и2- поперечные пульсации скорости, [м/с] и = и1 - среднеквадратичные пульсации скорости, [м/с]
Уг скорость истечения струи, [м/с] и - продольная компонента средней скорости, [м/с]
V- поперечная компонента средней скорости, [м/с]
V - вектор скорости
Яен = Н V !\- число Рейнольдса,
= ГНШ - число Струхаля,
N41 = а -число Нуссельта И - высота основания (задней кромки) модели,
И - ширина щели на основании модели, [м] с!с - эквивалентный диаметр канала, [м] а - коэффициент теплообмена, [Вт/м2 град]
X - коэффициент теплопроводности [Вт/м град] р - плотность среды, [кг/м3]
V - кинематическая вязкость среды, [м /с]
д:- координата в направлении потенциального течения, [м] у - координата в направлении перпендикулярном потенциальному течению, [м]
ВВЕДЕНИЕ
7
Разработка методов контроля аэродинамических характеристик обтекаемых тел -задача, которая постоянно привлекает внимание исследователей. По мере накопления знаний о физической картине обтекания объекта, се детализации, изменялись и подходы к решению этой задачи. Причиной изменения характера обтекания объектов является отрыв течения, который может происходить в пограничном слое и Eia острых кромках тела. Отрыв сопровождается изменением направления движения среды, скорости, давления, поэтому исследования этого типа течения достаточно сложны. По данной теме существует большое число публикаций, преимущественно экспериментальных исследований, которые обобщены в монографиях [1,2]. Численные исследования этого явления наиболее интенсивно стали развиваться в течение последних двадцати лет, что обусловлено прогрессом в развитии вычислительной техники, методов вычислительной математики и стремительным ростом возможностей ЭВМ. Работы [3-5] достаточно полно отражают уровень численного моделирования отрыва.
Основными причинами отрыва являются: 1) конечная протяженность поверхности тел; 2) резкое изменение контура обтекаемого тела; 3) влияние вязкости; 4] положительный градиент давления н направлении течения [с. 15, 2]. Отрыва потока можно избежать, профилируя контур тела таким образом, чтобы обеспечить отрицательный или достаточно малый положительный градиент давления в направлении течения и формируя заднюю кромку малой толщины. Однако расчет такого профиля весьма сложная задача. Того же результата - минимизации сопротивления объекта - можно достигнуть, не изменяя самого объекта, но трансформируя структуру набегающего потока.
В ряде случаев создание искусственно вызываемого отрыва может быть использовано для улучшения обтекания тела с передней срывной зоной. Среди технических решений можно отметить способ организации пристеночных циркуляционных зон путем формирования внешнего по отношению к телу течения [5]. Так, размещение диска перед затупленным телом вращения позволяет в несколько раз снизить сопротивление движению [5-8]. Подбором соответствующих параметров насадки удается создать интенсивность циркуляционного течения перед моделью, при котором давление на передней кромки может бы ть меньше, чем донное давление. Это реализуется в «тяговое» усилие, а сопротивление системы диск-тело становится сопоставимым с сопротивлением удобообтекаемых тел [5]. Следует отметить, что при исследовании характера взаимодействия набегающего на препятствие потока было установлена зависимость поля скорости на поверхности от завихренности внешнего течения [с.22, 9].
8
Как отмечалось выше, тело конечной протяженности с тупым лонным срезом неизбежно вызывает отрыв течения за ним. Этот отрыв сохраняется независимо от истории развития пограничного слоя на поверхности и обуславливает разрежение давления у основания и возникновение нестационарных нагрузок. Действуя на поверхность донного среза, давление приводит к появлению силы, направление которой совпадает с направлением сопротивления. В результате сопротивление тела возрастает. Существуют объекты (крупные строительные сооружения, транспортные средства), которые, в силу различных причин, имеют большую поверхность донного среза и характеризуются интенсивным отрывом сдвиговых слоев с кромок основания. Величина донного сопротивления этих тел может определять величину полного сопротивления. Предотвратить такого рода отрыв течения невозможно, но, воздействуя на область течения за объектом, можно снизить масштаб его последствий. Методы, позволяющие увеличить донное давления на основании тел (уменьшить донное сопротивление) упомянуты в монографиях [1,2] и подробно представлены в работах [10-28]. Этими исследованиями было установлено, что разрежение в следе обусловлено формированием за телом вихревых структур -дорожки Кармана. Максимум снижения давления наблюдался на некотором расстоянии от основания модели, которое совпадало с центром первого вихря нестационарного следа. Таким образом, донное сопротивление обусловлено вихревой структурой течения за телом.
Наибольшее снижение донного сопротивления тела достигалось установлением разделительной пластины в кормовой части модели [11-18), выдувом струи из щели на основании модели [19-24], образованием изломанной задней кромки модели [25-28]. Указанные методы воздействуют на область течения за моделью различным образом, но при этом достигается почти одинаковый прирост донного давления. Данный факт можно рассматривать, как свидетельство существования некоторого ключевого механизма, приводящегося в действие всеми методами и изменяющего условия формирования вихрей за телом подобным образом. Удаление формирования вихревого нестационарною следа от основания тела в результате воздействия каждого из упомянутых методов, отмеченное при установке разделительной пластины и низконапорного выдува, не объясняет в полной мере изменения как донного давления, так и числа Струхаля, регистрируемых в этих исследованиях. На этот факт обращено внимание и в работе [с.209, 4], где указывается на сложный характер взаимодействия разделительной пластины с турбулентным следом, детали которого все еще останутся неясными, чго в полной мере можно отнести и на счет других методов.
Исследованию структурных изменений течений в следе в известных литературных источниках уделено недостаточное внимание. Имеющиеся данные
9
ограничены, как по измеряемым параметрам течения, так и по расстоянию, на котором они контролировались [29,30]. Этот пробел может быть восполнен путем изучения зависимости величины донного давления не только от структуры формируемого вихревого следа, но и от условий развития отрывающихся сдвиговых слоев для одного из вышеперечисленных методов. Поскольку вихревой след образуется в результате взаимодействия сходящих с тела сдвиговых слоев их структура, по-видимому, оказывает влияние на параметры нестационарного течения в следе. Можно предположить, что упомянутые методы приводят к снижению завихренности сдвиговых слоев за счет возрастания потока завихренности обратного знака, поступающего в вихревую пелену сдвигового слоя из зоны отрыва. Из трех методов, метод управления с ио.мощыо истечения струи представляется наиболее предпочтительным объектом изучения, прежде всего с точки зрения его более простой адаптации к широкому классу инженерных конструкций.
Известно [31-34], что с помощью размещения тонкой пластины внутри пограничного слоя достигалось снижение локального сопротивления трения на 30 -40% на расстоянии 100 значений толщины пограничного слоя вниз по потоку от пластины. Общее сопротивление (учитывающее сопротивление пластины) уменьшалось на 7 - 20%. Таким образом, заметный эффект может быть получен за счет относительно слабого воздействия, изменяющего структуру сдвигового слоя. Приведет ли данный метод (например, с помощью установки тонких пластин на участке, предшествующем отрыву) к изменению параметров формирующегося вихря, а, следовательно, и донного давления? Будут ли регистрируемые изменения иметь практическую значимость? Постановка такой задачи в литературе не отмечена. Привлекательность данного метода контроля донного давления заключается в малом масштабе воздействия на структуру потока (как энергетическом, так и пространственном), по сравнению с вышеперечисленными способами.
Другой перспективный способ управления обтеканием тела путем воздействия на пограничный слой - это образование на поверхности тела незамкнутых полостей, вихревых ячеек [35,36]. В ячейках набегающим потоком генерируются вихри, которые, воздействуя па пограничный слой, изменяют его структуру и, тем самым, течение за телом. Численное моделирование обтекания тела с вихревыми ячейками позволяет изучить влияние наведенной циркуляции на сопротивление модели, что чрезвычайно сложно сделать в эксперименте. Исследования показали, что существенно изменить структуру течения за телом пассивными ячейками не удавалось, но интенсификация циркуляционного течения в них, например, отсосом среды из ячеек [37] сопровождалась ростом донного давления. Представляет интерес оценить влияние наведенной завихренности, уровень которой изменяется с помощью расположенного в ячейке вращающегося цилиндра, на изменение структуры течения
10
в следе и аэродинамические характеристики тела.
В неизотермическом следе трансформация структуры поля скорости под влиянием того или иного метода управления течением, очевидно, отражается и на развитии поля температуры за телом. Температура является скаляром, но законы сс развития в следе не следуют буквально изменениям поля скорости, что в значительной степени усложняет моделирование неизотермических течений. В отличие от динамических параметров течения тепловые изучены менее подробно и число таких исследований значительно меньше. В частности, экспериментальные данные по тепловому следу за осесимметричными телами (диском, сферой, спутной струей) весьма ограничены [38-42]. Для отработки расчетных моделей турбулентности необходимо иметь результаты экспериментальных исследований за телами различной формы, чтобы выяснить какие из характеристик неизотермического сдвигового течения являются универсальными, а какие определяются формой тела. Исследования неизотермического следа за эллипсоидом вращения, формируемого истечением с различной скоростью нагретой струи, расширяет базу экспериментальных исследований для оценки влияния не только формы тела, но и начальных условий образования следа на законы развития параметров течения. В частности, они позволяют оценить, как долго параметры поля скорости и поля температуры сохраняют информацию об особенностях начального участка следа.
Известно, что отрывное течение интенсифицирует теплообмен в области присоединения к поверхности [43, 44]. Однако в каналах образование отрывного течения сопровождается значительным ростом потерь давления на прокачку теплоносителя. Альтернативой отрыву в каналах являются вихревые структуры. Очевидно, что чем больше их масштаб, тем интенсивней происходит перенос тепла в поперечном сечении канала и тем больше энергии затрачивается на их производство. Тенденция развития теплообменной аппаратуры, выражаемая ростом передаваемых тепловых мощностей в ограниченном объеме, определяет необходимость разработки методов, обеспечивающих опережающий прирост теплоотдачи по сравнению с ростом потерь давления. Такой эффективный способ, как закрутка потока [45, 46] не может удовлетворить этому требованию. Поскольку основное термическое сопротивление в поперечном сечении канала сосредоточено в пограничном слое, представляется целесообразным осуществлять воздействие на эту область течения с целью интенсификации переноса тепла от ядра потока в стенку. Ряд способов такого воздействия рассмотрен в монографии [47]. Установка пластины в границах пограничного слоя, как отмечено выше, приводит к изменению поверхностного трения, а, следовательно, влияет на теплообмен. В силу ограничения прилагаемого воздействия масштабом толщины этого слоя, потери давления в канале, по-видимому, не изменятся. Это и определяет интерес к подобным исследованиям.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
и
Актуальность темы диссертации. Течение в следе представляет собой отрывную область, формируемую сдвиговыми слоями, сходящими с кромок обтекаемого тела. Влияние этой области на аэродинамические характеристики тела проявляется в росте донного сопротивления и возникновении знакопеременной нагрузки, обусловленной нестационарным сходом сдвиговых слоев. Изменения указанных параметров, определяемые формой обтекаемого объекта, тем значительней, чем интенсивнее отрыв и чем большую зону течения он захватывает. Для ряда объектов (строительные сооружения, транспорт), за которыми генерируется сильный отрыв, выполнить профилирование кормовой части для снижения его последствий в силу различных причин пе представляется возможным.
Исследования последних 40 лет установили зависимость аэродинамических характеристик обтекаемых моделей от структуры области отрыва. Показано, что сопротивление модели может быть уменьшено при изменении условий образования вихревого следа. В настоящее время известен ряд методов: установка разделительной пластины, низконапорный выдув струи в след, образование изломанной задней кромки, воздействие которых на след позволяет достигать 50% снижения донного сопротивления. Однако широкою практического применения методы не папіли Разработка методов, лег ко интегрируемых в существующие конструкции, достаточно эффективных, чтобы уменьшить влияние области отрыва, представляет интерес, прежде всего для крупных инженерных сооружений.
С другой стороны, известно, что генерация вихревых структур в потоке интенсифицирует теплообмен. В зависимости от способа образования вихрей, сопутствующие им рост теплообмена и увеличение сопротивления на прокачку потока по каналам могут иметь нелинейный характер. Определение условий формирования вихревых структур, которые обеспечивают опережающий рост теплообмена по сравнению с ростом потерь давления при течении теплоносителя, и реализация их в инженерных решениях актуально для конструирования эффективной теплообмеиной аппаратуры.
Вихри, образованные в следе за телом, несут информацию об особенностях его формы и условиях их генерации. Эта информация по мере взаимодействия крупных вихрей между собой с образованием при этом вихрей меньшего, диссипативного масштаба теряется. Динамика развития поля температуры имеет определенную самостоятельность по отношению к полю скорости, поэтому представляет интерес оценить степень вырождения информативности теплового следа в результате изменения начальных условий его формирования. Численный расчет неизотермических течений, в том числе и следов, усложняется, по сравнению с
12
моделированием динамической структуры. Расширение базы экспериментальных данных при изучении течений за телами различной формы, с различными начальными условиями необходимо для отработки методов математического моделирования широкого класса течений.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Тема диссертации связана с планами научно-исследовательских работ ДНК ИТМО НАНЬ по темам Энергия-05 «Исследования процессов тепло- и массопереноса в сдвиговых потоках жидкости и газа» в 1980-1985 гг.. Энергетика-7 «Исследования процессов переноса импульса, тепла и массы в турбулентных неоднородных потоках» в 1985-1990 гг., по заданиям программы «Белавтотракторостроение» в 1997-2000гг. В диссертацию включены исследования автора, выполненные в рамках международного сотрудничества (Институт гидродинамики общества Макса Планка г. Геттинген, 1989-1992 гг.; Институт гидродинамики и теплообмена Рурского университета, г. Бохум, 1995 г.; Академия гражданской авиации. С.-Петербург. ЦАІ И, Москва, 1998-1999 гг).
Цели и задачи исследования. Целями исследования являются: 1) изучение взаимосвязи структуры отрывающихся сдвиговых слоев и формируемого ими вихревого следа с аэродинамическими характеристиками обтекаемых тел в диапазоне чисел Рейнольдса 150<Rc<l,2106; 2) разработка методов, снижающих влияние следа на аэродинамические характеристики обтекаемого объекта, и методов, усиливающих теплообмен в каналах теплообменников при слабых воздействиях на течение; 3) определение влияния динамического фактора на развитие поля температуры в следе.
Достижение поставленных целей потребовало решения следующих задач:
- экспериментально изучить закономерности изменения донного давления, частоты образования вихревого следа, турбулентных характеристик течения за двумерной моделью и спектральных распределений пульсаций скорости на различном расстоянии от модели в зависимости от конфигурации и расхода выдуваемой струи; выполнить визуализацию области течения, примыкающей к осіюванию моде.)їй;
- экспериментально исследовать воздействие тонкой пластины, закрепленной на верхней поверхности пространственной модели внутри пограничного слоя, на величину донного и полного сопротивления модели и на иоле скорости турбулентною следа; выявить управляющие параметры пластины и оптимизировать их значения, обеспечивающие максимальный прирост донного давления;
- провести численное моделирование воздействия пассивных и активных вихревых ячеек, встроенных в контуры двумерных моделей, и узких симметричных струй, выдуваемых из кормовой части, на коэффициенты сопротивления, подъемной силы и динамическую структуру течения в следе;
13
- экспериментально изучить особенности развития динамических и тепловых турбулентных характеристик иеизотсрмического течения за осесимметричной моделью при различной скорости истечения нагретой струи; определить влияние начальных условий на формирование универсальных закономерностей параметров теплового следа;
- экспериментально определить гидродинамические способы воздействия на структуру течения, примыкающего к стейкам круглых каналов, усиливающие перенос тепла от ядра потока, оценить их эффективность на полномасштабных образцах теплообменников; установить диапазон чисел Рейнольдса, для которого выполняется условие рациональной интенсификации теплообмена.
Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются: 1) область ближнего следа и методы воздействия на сдвиговые слои, отрывающиеся с задней кромки моделей и формирующие вихревой след; 2) теплообменники и методы управления структурой течения в каналах, которые усиливают теплообмен. Предметами исследования являются: распределения статического давления на поверхности модели, коэффициенты сопротивления п подъемной силы модели, завихренность, спектры частої* пульсаций скорости, параметры ноля скорости и температуры течения в следе, баланс сил, действующих на обтекаемую модель в потоке, зависимости коэффициента тепловой эффективности теплообменника и гидравлического сопротивления каїіаиов.
Методология и методы проведенного исследования. Методология исследования основана на экспериментальном и численном моделировании течения за двумерными и пространственными моделями и в каналах теплообменников. Экспериментальные исследования выполнены: 1) в аэродинамических трубах при формировании развитого турбулентного течения; 2) на теплофизических стендах с полномасштабными образцами теплообменников. Была использована стандартная для аэрогидродинамики измерительная аппаратура и известные методы. Визуализация течения была осуществлена методом, позволяющим получать изображение структуры следа в реальном масштабе времени. На основе конечно-объемной процедуры типа БІМРЬЕС выполнялись решения двумерных нестационарных уравнений Навье Стокса для ламинарного течения, и уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью зональной низкорейнольдсовой модели Ментера, в слу чае турбулентного течения.
Научная новизна и значимость полученных результатов. I) Впервые выполнены комплексные экспериментальные исследования зависимостей донного давления, частоты схода сдвиговых слоев и характеристик поля скорости следа от расхода и геометрических параметров струи, истекающей из щели на основании двумерной модели. Результаты исследования, дополненные визуализацией течения, выявили не известные ранее особенности формирования нестационарного вихревого
N
следа и установили зависимость донного сопротивления от параметров структуры течения:
- истечение центральной струи через щели, ширина (/г) которых на порядок уже высоты (И) основания модели (/?///<0,1), вызывает уменьшение размера и интенсивноеги образующегося нестационарного вихря, но практически не влияет на координату начала его формирования. Выдув среды через щели 1г'Н> 0,1 дополнительно сопровождается образованием буферной стационарной области течения, примыкающей к основанию модели, и удлинением отрывающихся сдвиговых слоев, приводящих к смещению координаты начала вихревого следа от модели:
- величина донного давления модели определяется тремя факторами - расстоянием между основанием модели и координатой первого вихря нестационарного следа, размером и интенсивностью вихря.
- показано, что оптимальная величина потока импульса струи, соответствующая максимальному донному давлению, существенно в меньшей степени зависит от ширины струи и формы модели и может служить критерием эффективности выдува.
2) Предложен метод управления сопротивлением модели посредством истечения струи через шел и №Н<0,1. Выдув среды через шель. составляющую 2% высоты основания модели при расходе 3% от расхода набегающего потока через поперечное сечение модели, снижает донное сопротивление на 30%. Удвоение эффекта при истечении струи через щель к№0,75 сопровождается пятикратным рослом ее расхода.
3) Установлена физическая причина, вызывающая рост донного давления двумерной модели с полостью на основании при формировании нестационарного вихревого следа: эффект обусловлен истечением среды из полости иод воздействием периодического отрыва сдвиговых слоев. Показано, что прирост донного давления представляет практический интерес, когда ширина полости составляет более 40% высоты основания модели.
4) Впервые экспериментально установлена зависимость донного и полного сопротивления пространственной модели в области автомодельности чисел Рейнольдса 1,2-106 <Ке<].6-]()ь от структуры развивающегося на ее поверхности пограничного слоя. Предложен метод управления структурой течения в следе и сопротивлением пространственной модели с помощью тонкой пластины, размещаемой внутри турбулентного пограничного слоя на верхней поверхности модели перед ее основанием:
- установлено, что величина донного давления и полного сопротивления модели зависит от координат пластины внутри пограничного слоя, от ее угла атаки и числа пластин. Максимальный прирост донного давления для тандема пластин при их
15
оптимальном положении - 6%. снижение полного сопротивления модели - 3%: ширина н интенсивность вихревого следа за моделью с модулированным пограничным слоем уменьшается.
5) Впервые выполнена постановка и проведен анализ численного решения задачи о воздействии образованных на обтекаемых двумерных объектах генераторов завихренности (активных вихревых ячеек и выдуваемых струй) на нестационарную вихревую структуру ламинарною и турбулентного следа. Установлено, что снижение сопротивления модели и величины коэффициента нормальной силы обусловлено уменьшением завихренности течения в следе.
Предложен метод снижения знакопеременной нагрузки обтекаемого тела. Показано, что нагрузка, вызванная нестационарным характером следа, может быть уменьшена н 1.5 раза с помощью истечения двух симметричных струи со скоростью
0.756» через щели, составляющие 10% размера миделя модели.
6) Расширена база экспериментальных данных но структуре неизотермического следа за осесимметричной моделью: Показано, что температурные параметры течения сохраняют информацию о начальных условиях формирования следа па большем удалении от модели по сравнению с их аналогами поля скорости.
Предложены замыкающие уравнения для смешанных моментов пульсаций скорости и температуры и:0'. и:0 . справедливые для любых типов неизотермических течений.
7) Предложен метод интенсификации теплообмена в каналах полномасштабного образца радиатора с помощью гонких пластин, элементы которых генерируют нестационарные вихри в пристеночной области течения. Коэффициент тепловой эффективности радиатора возрастает на -14%. а перепад давления по тракту теплоносителя практически не изменяется в области 2000<1<е<50()0.
Практическая значимость полученных результатов. Разработаны методы, воздействие которых на течение составляет малую долю от воздействия набегающего потока на модель. Методы позволяют улучшить аэродинамические характеристики обтекаемых объектов и интенсифицировать теплообмен в каналах теплообменников.
Получено пять авторских свидетельств на способы снижения сопротивления обтекаемых тел. конструкцию теплообменника и его элементов.
Предложены замыкающие уравнения для смешанных моментов пульсаций скорости и температуры, которые повышают точность расчетов любых типов неизотермических течений в следе.
Результаты исследований по управлению течением в следе с помощью выдува струи и воздействия на пограничный слой тонкими пластинами включены в программу учебных курсов аэродинамики и динамики полета в Академии гражданской авиации (С.-Петербург. Россия). Метод управления течением и каналах
16
теплообменника путем генерации нестационарных вихрей вблизи стенок реализован в конструкции радиатора, разработанного для Минского автомобильного завода.
Основные результаты диссер тации, выносимые на защиту.
- Экспериментальные данные по зависимости донного давления тела, частоты схода сдвиговых слоев и характеристик поля скорости следа от расходных и геометрических параметров истекающей струи, размера полости на основании двумерной модели. Визуализация ближней области следа.
- Физическая модель образования нестационарного вихревого следа за плохообтекаемыми объектами, учитывающая изменения завихренности сдвиговых слоев; модель может быть эффективно использована для анализа существующих методов воздействия на нестационарный след.
- Метод управления донным сопротивлением с помощью выдува узких струй. Метод позволяет снизить донное сопротивление на 30%.
- Экспериментально установленный факт зависимости донного и полного сопротивления пространственной модели в области автомодельности чисел Рейнольдса 1,2-106 <1<е<1,610<: от структуры развивающегося на ее поверхности пограничного слоя, что открывает перспективу управления аэродинамическими характеристиками объектов без изменения их формы с помощью малых возмущений пограничного слоя.
- Метод управления структурой следа и сопротивлением тела с помощью тонкой пластины, установленной в турбулентном пограничном слое перед основанием модели. Две пластины вызывали прирост донного давления на 6% и снижение полного сопротивления тела на 3%.
- Постановка и анализ результатов численного решения задачи о воздействии вихревых ячеек, образованных на контуре двумерных тел различной геометрии, и выдува симметричных узких струй на нестационарную вихревую структуру ламинарного и турбулентного следа. Снижение сопротивления модели и величины коэффициента нормальной силы от уменьшения завихренности течения в следе.
- Метод снижения знакопеременной нагрузки модели, вызванной нестационарным характером следа, с помощью истечения двух симметричных струй. Показано, что выдув со скоростью 0,7511® через щели, составляющие 10% размера миделя модели уменьшал коэффициент нормальной силы в 1,5 раза.
- Экспериментальные данные о структуре поля скорости и температуры неизотермического следа за осесимметричным телом, отражающие большую информативность температурных параметров течения о начальных условиях формирования следа по сравнению с их аналогами поля скорости.
- Замыкающие уравнения для смешанных моментов пульсаций скорости и температуры и20~, и]в, справедливые для любых типов неизотермических течений.
17
- Метод интенсификации теплообмена в каналах полномасштабного образца радиатора с помощью тонких пластин, элементы которых генерируют нестационарные вихри в пристеночной области течения. Коэффициент тепловой эффективности радиатора возрастет на -14%, а перепад давления по тракту теплоносителя практически не изменяется в области 2000<Rc<5000.
Личный вклад соискателя. Автором выполнена постановка задач по определению зависимости сопротивления тела от изменения структуры следа, пограничного слоя и, образованных на контуре тела, генераторов завихренности; проведены экспериментальные исследования воздействия выдува на величину донного давления и поле скорости следа, зависимости донного давления пространственной модели от положения пластины, побуженной в пограничный слой, влияния нестационарных вихрей, генерируемых у стенки канала, на прирост тепловой мощности радиатора. С соавторами осуществлены исследования неизотермического следа и определено полное сопротивление модели весовым методом, отработана методика визуализации течения, сделан анализ результатов численного моделирования нестационарного обтекания тела с внесением в ближний след наведенной завихренности.
Апробация результатов диссертации. Основные положения работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на 8lh National Heat & mass transfer Conference, Visahapatam. India, 1985; VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, Ташкент, 1986; 3й Всесоюзной конференции по турбулентным течениям, Жданов, 1988; 8м Symposium on Turbulent Shear Flows, Munich, Germany, 1991; IUTAM Symposium ’’Bluff Body wakes: Dynamics and Instability”, Gettingen, Germany, 1992; 3C Colloquim on Bluff Body Aerodynamics & Applications, Blacksburg, Virginia, USA, 1996; 2nd European & African Conference on Wind Engineering, Genova, Italy, 1997; 2nd East European Conference on Wind Engineering, Praga, Cheh Republik, 1998; 4th Colloquim on Bluff Body Aerodynamics &. Applications, Bochum, Germany, 2000 .
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 35 научных работах на 490 страницах, в том числе в 11 статьях в научных журналах, 2 статьях в сборниках АНК ИТМО НАНБ, 9 препринтах, 8 статьях в сборниках трудов и тезисов конференций, в 5 авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, общей характеристики, 7 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертации составляет 312 стр., из них текстовая часть -171 стр., иллюстраций - 83 стр., таблиц - 6 стр., приложения - 35 стр-> и списка использованных источников из 162 наименований - 12 стр.
18
ГЛАВА 1
ИДЕНТИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ В СЛЕДЕ
Интенсивное изучение методов воздействия на течение за телами с целью снижения донного сопротивления началось более .30 лет назад. Интерес к данной проблеме возник в результате применения в авиации профиля крыла с тупой задней кромкой, который имел высокие аэродинамические характеристики при сверхзвуковых скоростях полета, но и высокое донное сопротивление при ло звуковых скоростях. За 30 лет исследований определены методы, снижающие донное сопротивление тел в два и более раз. Значительно меньший прогресс был достигнут в понимании механизма трансформации структуры следа за телами и в установлении зависимости параметров отрывных слоев и течения за моделями. Развитие наземного междугороднего грузопассажирского транспорта, скорости которого возросли до 100-200 км/час, интенсивное строительство высотных инженерных сооружений привлекли интерес к данной проблеме вновь. Но, акцент в оценке эффективности методов смещен с величины абсолютною прироста донного давления на снижение донного сопротивления и коэффициента нормальной силы, обеспечивающих суммарный экономический выигрыш от применения метода. Использовать в этих приложениях известные эффективные методы управления следом во многих случаях не целесообразно в силу необходимости существенного изменения исходных конструкций. Становится актуальшлм разработка методов, позволяющих управлять отрывным течением без переделки существующих объектов. Понимание физического механизма формирования течения в следе является необходимой основой этих исследований. Ниже рассматриваются способы управления течением в следе, которые обеспечивают наибольшее приращение донного давления, либо позволяют получать эффект при слабом энергетическом воздействии. Анализ результатов исследований выполняется с целыо выявления характерных признаков этих методов, определяющих их высокую эффективность.
1.1. Метод разделительной пластины
Существенное изменение донною давления за поперечно обтекаемым цилиндром при установке вдоль его осевой линии тонкой пластины, обнаруженное в работе [11], послужило началом исследования методов воздействия на течение за телами. При длине пластины в пять раз превышающей диаметр цилиндра давление возрастало в три раза на расстоянии одного калибра, а его дефицит практически вырождался к шести калибрам (рис. 1.1). Эксперименты с короткой пластиной [11]
IV
Рис. 1.1. Изменение статического давления в следе за цилиндром [11]
Рис. 1.2. Зависимость донного давления и числа Струхаля от положения пластины в следном течении 111]
20
продемонстрировали, что с ее удалением от модели, давление за цилиндром возрастало, а значения числа Струхаля, определяющего частотную характеристику вихревого следа, уменьшались (рис. 1.2). Эти результаты свидетельствовали о влиянии трансформации структуры течения, непосредственно примыкающего к задней поверхности цилиндра, на величину донного давления и показали четко выраженную периодичность течения. Дальнейшие исследования за моделями с фиксированной кромкой отрыва [12] подтвердили эффективность разделительной пластины в снижении дефицита давления в следиом течении и установили зависимости донного давления, и числа Струхаля от длины пластины. Аналогичные эксперименты были выполнены за цилиндрами [13-17]. Донное давление, характеризуемое коэффициентом давления (СД, качественно изменялось с длиной пластины одинаково для обоих моделей (рис. 1.3).
а) б)
Рис. 1.3. Зависимость коэффициента донного давления от длины разделительно!'! пластины : а) за цилиндром [17]; б) за моделью с фиксированным положением отрыва пограничного слоя [15]
Максимальный прирост донного давления (более чем в три раза) обеспечивался пластиной длиной 6-7 калибров модели. Значения (СР)Ь с удлинением пластины асимптотически стремились к значениям, измеряемым за ступенькой в стационарном течении. Характерной особенностью зависимостей коэффициента давления являлось наличие локального максимума, который фиксировался при длине пластины равной поперечному размеру модели и, составляющий ~ 60% от наибольшего прироста давления. Увеличение числа Маха сопровождалось снижением эффекта пластины.
21
Частотная характеристика следиого течения песет в себе информацию о масштабе вихревого следа. Изменение числа Струхаля с удлинением пластины за телами различной формы (цилиндром, пластиной, установленной перпендикулярно потоку, и за телами с тупым донным срезом) происходило не одинаково, что свидетельствовало о чувствительности его к особенностям формирования следа (рис. 1.4). Отличии и представленных зависимостях наиболее выражены в интервале //£><2. При более длинных пластинах наблюдалось универсальное изменение частоты - она монотонно уменьшалась, пока существовала возможность регистрации ее в следном течении. Пунктирные линии на рис. 1.4 характеризуют течение за моделями, при котором регистрация частоты была неустойчивой перед тем, как доминирующая периодика в спектре частот совершенно исчезала.
Переменный характер изменения числа Струхаля с изменением длины пластины не может быть объяснен только перемещением координаты первого вихря вниз по течению от модели, как отмечалось в работах 112-17]. В рамках этого представления логично согласовываются рост давления на задней кромке модели, зоны формирования вихря (вследствие блокировки пластиной, сдвиговые слои начинают взаимодействовать и образовывать вихрь на большем расстоянии от модели) и уменьшение числа Струхаля [11,14]. Одновременное увеличение донного давления и числа Струхаля, что имело место при малых длинах пластины, не нашло объяснения ни в одном из выполненных исследований. Видимо, это связано с динамикой генерации вихря, которая является результатом взаимодействия сдвиговых слоев, сходящих с задней кромки модели, и пластины.
Показано [14], что образование вихря начинается при аккумулировании в сдвиговом слое определенной концентрации завихренности. Теряющий устойчивость и сворачивающийся в вихрь сдвиговой слой притягивает к себе противоположный сдвиговый слой, несущий завихренность обратного знака, и, одновременно, вовлекает и переносит к оси следа потенциальную среду, примыкающую к внешней границе следа. Т.е., индуцируется поперечное течение вблизи основания тела. Присоединение части противоположного слоя вызывает “отсечение” вихря от питающего его слоя и, тем самым, завершает его образование. Вовлечение среды с противоположной завихренностью является важным элементом процесса генерирования вихря, определяющим и его размеры, и интенсивность. Область течения между координатой наибольшей кривизны сворачивающегося слоя и координатой присоединении сдвигового слоя с противоположной завихренностью определена как область формирования вихря. Протяженность ее определяется балансом между вовлекаемой в сдвиговые слои средой, примыкающей к основанию модели, и возвратным течением, индуцированным вихрем. Таким образом, при отсутствии пластины вблизи поверхности модели существует интенсивное поперечное течение переменного
Рис. 1.4. Зависимость числа Струхаля от длины пластины для моделей различной формы [17).
23
направления, обусловленное периодическим отрывом пограничного слоя.
Воздействие разделительной пластины на процесс образования вихря, по-видимому, определяется двумя факторами. При длине пластины меньшей или равной высоте основания она является физическим препятствием поперечному течению, индуцируемому нарождающимся вихрем (размер вихря такого же масштаба, как и высота задней кромки модели) [14]. Сдвиговые слои удлиняются и вихрь формируется ниже по течению. Во-вторых, на поверхности пластины возвратным течением генерируется завихренность противоположная по знаку той, которая переносится сдвиговыми слоями. В результате общая завихренность среды за моделью уменьшается. Этот фактор действует с момента присоединения пластины, увеличивая свое влияние с ее удлинением. Механизм производства наведенной завихренности, изменяющей ее исходную концентрацию в сдвиговых слоях, представляется ключевым в осуществлении контроля за процессом формирования вихревого течения. На его основе можно объяснить зависимости донного давления и числа С'трухаля от длины пластины за телами различной формы.
Для модели с фиксированным отрывом сдвиговых слоев донное давление увеличивалось пропорционально длине пластины, когда ///?< 1 [13,15] (см. рис.1.3). При этом координата пика пульсаций скорости, соответствующая положению центра вихря [13], смещалась вниз по потоку (рис. 1.5). Максимальные пульсации практически не изменялись, по вблизи основания модели пульсации снижались более чем в два раза, что являлось результатом блокировки пластиной поперечного течения вдоль основания модели. “Захват“ противоположного слоя растущим вихрем (а именно этот этап важен в завершении формирования вихря) мог осуществиться только перед пластиной и образование вихря вынужденно оканчивалось перед кромкой пластины (см. рис. 1.4). Фактически, пространство за моделью, используемое для формирования вихря, сокращалось на длину пластины. Вихрь по прежнему индуцировал мощное поперечное течение, которое приводило к образованию на кромке пластины вторичного вихря меньшего масштаба обратной циркуляции, по того же порядка интенсивности. Роль индуцированного вихря возрастала вместе с увеличением его размера, что и определяло уменьшение донного давления при 1 <///?< 1,5 [13]. Экспериментальным свидетельством существования вторичного вихря является пик пульсаций скорости на краю пластины при l/h= 1, который сглаживался при J/h-1,5 (см. рис.1.5в,г). Численные исследования структуры течения за цилиндром с разделительной пластиной также обнаружили возникновение вторичного вихря на краю пластины при l/ch~-2 [18J (рис. 1.6). Взаимодействие двух вихрей противоположной циркуляции вызывало сужение следа [13] и, как следствие, более раннее образование основного вихря, что проявлялось в росте числа Струхаля.
24
Рис. 1.5. Изменение пульсаций скорости за моделью с разделительной пластиной вдоль координатыу/И =0.25 при К.е =1.4-104113].
Рис. 1.6. Структура следа за цилиндром с разделительной пластиной l/d -2, Re -160 114]: Л - индуцированный вихрь; С - основной вихрь; 13 - сдвиговой слой
25
С удлинением пластины {Uh> 1,5) нестационарный вихрь на сс кромке трансформировался в стационарную вихревую структуру, располагающуюся с обеих сторон пластины и примыкающую к основанию модели. Эта структура продуцировала завихренность противоположного знака той, что переносилась сдвиговыми слоями. Поскольку последние вовлекали в себя среду из стационарного вихря их завихренность уменьшалась и в результате генерировался более слабый вихрь - максимум пульсаций скорости в следе снижался (см. рис. 1.5д,е,ж). Зона формирования вихря теперь включала в себя длину пластины и чем она больше, тем позже завершалось образование вихря - число Струхаля уменьшалось. Удлинение сдвиговых слоев под влиянием пластины имело свой предел. Визуализация течения
[12] показала, что при длине l/h-2,5 слои смыкались перед кромкой пластины. Приближение сдвиговых слоев к кромке пластины вызывало рост пульсаций скорости на ней (см. рис.1.5е). Присоединение сдвиговых слоев наблюдалось, когда l/h=3. Координата линии присоединения l/h-2,9 [13]. Место присоединения отмечено протяженным максимумом пульсаций скорости. Структура течения между основанием тела и пластиной становилась подобной течению за ступенькой [14]: образовывался стационарный вихревой след, что и проявлялось в исчезновении доминирующей периодики в спектре пульсаций скорости.
Предложенный выше механизм формирования следа под влиянием пластины вполне объясняет кажущуюся противоречивость зависимостей числа Струхаля (см. рис.1.4) и коэффициента давления в следе за цилиндром [11,14,16,17]. Исследования [16,17] показали, что при длинах //У =1/16, 1/8 наблюдалась осцилляция координаты отрыва ламинарного пограничного слоя, которая прекращалась, когда l/d= 0,25. Рост числа Струхаля при длинах //У=0,25 связан с частичной блокировкой поперечного течения вдоль тыльной стороны цилиндра. В отсутствии пластины это течение, непосредственно воздействуя на пограничный слой, провоцировало его отрыв. Пластина создавала условия для позднего отрыва пограничного слоя, что сопровождалось уменьшением ширины следа (размера образующегося вихря) и приводило к увеличению числа Струхаля и донного давления (см. рис. 1.4) 111]. Рост донного давления, в свою очередь, вызывал болсс ранний отрыв пограничного слоя, увеличение расстояния между сдвиговыми слоями и формирование более крупного вихря при Ш>0,25 (рис. 1.7). Эксперименты по визуализации следа [16] действительно зафиксировали рост его ширины, который прекращался при l/d= 1. С этого момента координата отрыва пограничного слоя с поверхности цилиндра не изменялась (см. рис. 1.7, 1.8). Одновременно, являясь физическим препятствием для поперечного течения за моделью, пластина вызывала удлинение сдвиговых слоев и перемещение координаты первого вихря вниз по течению - зона его формирования расширялась, а число Струхаля уменьшалось (см. рис. 1.4).
26
Рис.1.7. Распределение давления по поверхности цилиндра в зависимости от длины разделительной пластины: l/d = 0(1); 1/16 (2); 1/8 (3); Va (4); /2 (5); 1 (6); 1.5 (7); Re 2-Ю4 [16]
Рис. 1.8. Распределение давления по поверхности цилиндра в зависимости ог длины разделительной пластины: l/d - 0(1); 2.5 (2); 3 (3); 3.5 , 4 (4); 4.5 (5); 5 (6); 5.5, 6, 6.5, 7 (7) ; Re =2-104 [17]
27
Дальнейшее удлинение пластины //</> 1 инициировало процесс аналогичный описанному выше для модели с фиксированной координатой отрыва сдвиговых слоев [13]: на кромке пластины возникал вихрь меньшего размера той же интенсивности и обратной циркуляции. Рост числа Струхапя (см. рис. 1.4) отражал уменьшение ширины следа в результате взаимодействия двух вихрей е противоположной циркуляцией. Этот характер течения наблюдался за телом с тупой задней кромкой
[13] при меньших длинах разделительной пластины. Причиной тому, видимо, тот факт, что толщина турбулентного слоя перед отрывом равнялась половине высоты основания модели 113], а, следовательно, и расстояние между слоями и вторичным вихрем на кромке пластины меньше, чем за цилиндром. За цилиндром же, как показано выше, с ростом длины пластины (Ш< 1/8) расстояние между сдвиговыми слоями возрастало. Максимум зависимости числа 81з регистрировался при значениях ///7=1,5 [13] и Ш=2 [16], при которых наблюдалось локальное снижение донного давления. Вторичный вихрь трансформировался в стационарный с удлинением пластины и с этого момента его зона формирования включала уже и пластину. Частотная характеристика опять изменялась - число Струхаля уменьшалось. Как уже отмечалось выше, сдвиговые слои, обтекающие длинную пластину (1/И>2 [8], 1/сї>4 [17]), генерировали слабый вихрь. С некоторой длины (///*>2,5 [13], !/</>5 [17]) измерить четко выраженную периодику в следе за моделью было невозможно. Течение за телом с разделительной пластиной становилось стационарным. Вихревой след вновь возникал за цилиндром с разделительной пластиной 1/сІ= 1 на расстоянии хА/=17 вниз но течению [17].
Проведенный анализ метода разделительной пластины по результатам работ [11-18] позволил связать измеряемые зависимости величины донного давления, числа Струхаля со структурными изменениями следного течения, непосредственно примыкающего к модели. Установленное в упомянутых работах различие воздействия короткой и длинной пластины объяснено с помощью предложенного механизма формирования вихревых структур сдвиговыми слоями. Суть этого различия в следующем. Короткая пластина блокировала поперечное течение вдоль основания модели, изменяя условия отрыва сдвиговых слоев. За моделью с фиксированными координатами отрыва сдвиговые слои несколько удлинялись, но зона формирования вихря сокращалась на длину пластины. Течение поперек следа возникало за кромкой пластины. В результате формировался вихрь меньшего размера и ниже по течению. Интенсивность вихря изменялась незначительно. Рост давления на основании модели обусловлен удалением вихря, как источника дефицита давления, и сокращением зоны его влияния. Увеличение донною давления с удлинением пластины происходило монотонно до момента образования индуцированного вихря на кромке пластины {!/И=1/с1-1). С этого момента чисто
2«
механическое воздействие пластины закапчивалось и эта длина являлась предельной для коротких пластин. Образующийся вторичный вихрь обуславливал незначительное уменьшение донного давления и инициировал механизм генерации завихренности противоположного знака, который становился определяющим с ростом длины пластины. Длинная пластина приводила в действие другой механизм производство завихренности стационарными вихрями, располагающимися с двух сторон пластины. Эта завихренность противоположна по знаку переносимой сдвиговыми слоями. Вовлечение среды из стационарных вихрей в сдвиговые слои снижало исходную завихренность последних и, тем самым, способствовало более позднему формированию слабого вихря.
1.2. Выдув струи из основании модели
Другой способ, изучение которого началось несколько позже рассмотренного выше - это выдув струи из щели, выполненной на основании модели. Наиболее подробные исследования данного метода представлены в работах [19-22]. Интенсивность выдува определялась коэффициентом расхода Сц. Эффективность способа выше при дозвуковых скоростях обтекания [19-21] (донное давление возрастало более чем в два раза) и несколько снижалась при трансзвуковых скоростях [22].
Изменение донного давления на основании модели с фиксированными координатами отрыва пограничного слоя [21], которая была подобна использованной в экспериментах с разделительной пластиной [13], представлено на рис. 1.9а. Истечение среды через щель (//), сравнимую с высотой (Я) задней кромки (Н/Н-0,93), приводило к монотонному росту давления с увеличением расхода струи. Максимум давления достигался при величине коэффициента Сч=0,14 и приближался к значению, измеряемому на основании модели с длинной разделительной пластиной (см. рис.1.3), или за ступенькой, т.е. характерному для стационарного течения в следе. Уменьшение ширины щели (И/Н-0,57 [21]) сопровождалось снижением максимального значения донного давления. Эта тенденция сохранялась с дальнейшим сужением щели [19]. однако, большой разброс данных не позволил получить четкой зависимости донного давления от ширины шели.
Значения числа Струхаля увеличивались с ростом коэффициента выдува в диапазоне 0<СЧ<0,09 и уменьшались при Сч.>0,09 (рис.1.96). Полученная зависимость очень похожа на зависимость за моделью с разделительной пластиной (см. рис. 1.4).
29
4-0
0,20
0,15
J и
-0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0.1 С 0,12 0,14
Рис. 1.9. Зависимость дойного давления (а) и числа Струхаля (б) от величины коэффициента расхода [21]