Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальное оборудование, методика измерений и постановка эксперимента 23
1.1. Описание установки Т-325 23
1.2. Измерительная система Т-325 24
1.3. Методика проведения экспериментов
1.3.1. Модель плоской пластины 30
1.3.2. Модель скользящего крыла
1.4. Определение средних параметров потока 42
1.5. Определение параметров потока в измерениях термоанемометром 44
1.6. Методика обработки результатов
1.6.1. Определение ширины гармоники 51
1.6.2. Об оценке дефекта среднего течения 52
1.6.3. О влиянии поперечной неоднородности среднего течения на оценку амплитудных волновых спектров по Р для контролируемых возмущений 53
Глава 2. Механизмы взаимодействия неустойчивых волн в неоднородном сверхзвуковом пограничном слое 56
2.1. Результаты для периодических прямоугольных наклеек 57
2.2. Результаты для периодических круглых наклеек высотой 110 мкм 63
2.3. Результаты для периодических круглых наклеек высотой 60 мкм 73
2.4. Выводы по Главе 2 79
Глава 3. Развитие бегущих возмущений в поперечно-модулированном трехмерном сверхзвуковом пограничном слое 81
3.1. Результаты для периодических наклеек с шагом 6 мм 82
3.2. Результаты для периодических наклеек с шагом 12 мм 90
3.3. Сравнение результатов для периодических наклеек со случаем гладкой поверхности крыла 97
3.4. Выводы по Главе 3 109
Глава 4. Относительная восприимчивость двумерного и трехмерного сверхзвукового пограничного слоя к стационарным возмущениям 111
4.1. Постановка экспериментов 111
4.2. Результаты и их анализ 113
4.3. Выводы по Главе 4 129
Глава 5. Влияние неоднородности поверхности на восприимчивость сверхзвукового пограничного слоя к контролируемым возмущениям при числах Маха 2 и 2,5 131
5.1. Результаты на плоской пластине 132
5.1.1. Результаты приМ = 2 nRei = 5х106 м"1 133
5.1.2. Результаты при М = 2,5 и Rei = 5/10 -1 142
5.1.3. Результаты при М = 2,5 и Rei = 8,4х106 м"1 149
5.1.4. Сравнение результатов дляМ = 2 и 2,5 157
5.2. Результаты на скользящем крыле 161
5.2.1. Результаты на гладком крыле 162
5.2.2. Результаты на крыле с шероховатостями 166
5.2.3. Сравнение гладкого крыла и крыла с шероховатостями 172
5.3 Выводы по Главе 5 178
Заключение 180
Литература 182
- Методика проведения экспериментов
- О влиянии поперечной неоднородности среднего течения на оценку амплитудных волновых спектров по Р для контролируемых возмущений
- Результаты для периодических круглых наклеек высотой 60 мкм
- Сравнение результатов для периодических наклеек со случаем гладкой поверхности крыла
Введение к работе
Актуальность темы. Исследования возникновения турбулентности в высокоскоростных пограничных слоях обычно связываются с решением практических задач, таких как: проблема теплозащиты для аэрокосмической техники, снижения сопротивления трения при эксплуатации летательных аппаратов с целью повышения экономичности, дальности полета и др. Для полета при больших сверхзвуковых скоростях важна проблема теплозащиты летательных аппаратов, рассчитанных на вход в атмосферу. До сих пор для практики является актуальным предсказание положения лами-нарно-турбулентного перехода, также как использование технологий ламинаризации течения в пограничном слое. Однако обе эти задачи еще далеки от решения.
Для решения задачи ламинаризации необходимо детально выяснить доминирующие механизмы ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое. В результате предыдущих исследований в пограничном слое плоской пластины с идеально полированной поверхностью выявлены несколько механизмов нелинейного взаимодействия: параметрическое субгармоническое усиление сильнонаклонных волн, аномальное усиление квазидвумерных возмущений большой амплитуды и механизм наклонного перехода (oblique breakdown). Для последнего механизма существенна и амплитуда волн, и поперечная неоднородность течения. Можно предположить, что данный механизм будет играть важную роль в ламинарно-турбулентном переходе при наличии периодической поперечной неоднородности течения.
Поверхности реальных летательных аппаратов не идеально гладкие. Высота не-однородностей на крыле самолета может быть порядка 100 мкм. Для применения активных/пассивных методов управления положением ламинарно-турбулентного перехода или поверхностным трением нужно учитывать, что актуаторы будут установлены в неидеальных условиях и их эффективность может быть разной, в том числе при изменении скорости, высоты, угла атаки. Поэтому исследование режимов порождения возмущений контролируемыми актюаторами является актуальным.
В последнее время ведутся обширные теоретические и экспериментальные исследования методов управления течением в пограничных слоях с помощью распределенной шероховатости поверхности крыла. Принципиальным ограничением ламинаризации течения с помощью шероховатости поверхности является неустойчивость к волнам Толлмина-Шлихтинга. Обнаружение стабилизирующего эффекта шероховатости на эту моду возмущений может увеличить число Рейнольдса перехода при использовании данного способа управления течением. Развитие активных и пассивных методов управления неустойчивостью течения в трехмерном сжимаемом пограничном слое с учетом поперечной неоднородности течения является актуальной задачей. Для этого требуется дальнейшее детальное изучение развития как контролируемых, так и естественных возмущений с целью выявления фундаментальных волновых явлений в неоднородном ламинарном сверхзвуковом пограничном слое.
Цель работы:
Экспериментально исследовать влияние поперечной модуляции двумерного и трехмерного сверхзвукового пограничного слоя на порождение волнового поезда, на механизмы взаимодействия возмущений.
Определить относительную восприимчивость пограничного слоя к одиночным шероховатостям для развития метода пассивного управления ламинарно-турбулентным переходом.
Научная новизна. В работе экспериментальным путем впервые:
изучено влияние периодической поперечной неоднородности среднего течения на развитие контролируемых возмущений в пограничном слое плоской пластины и тонкого скользящего крыла при числе Маха 2,0.
Исследовано поле среднего течения в следе за наклейкой в двумерном и трехмерном пограничном слое.
В одних и тех же условиях контролируемого эксперимента получены результаты по порождению и развитию волнового поезда в поперечно модулированном сверхзвуковом пограничном слое на плоской пластине и скользящем крыле при числах Маха 2 и 2.5.
Показано, что поперечная модуляция среднего течения приводит к возбуждению сильнонаклонных волн основной гармоники и усиливает роль механизма наклонного перехода в процессе возникновения турбулентности в пограничном слое на плоской пластине.
Обнаружено, что модуляция среднего течения может приводить к стабилизации неустойчивых возмущений в сверхзвуковом пограничном слое на плоской пластине и на скользящем крыле.
Установлено, что положение элементов шероховатости относительно источника контролируемых возмущений изменяет эффективность воздействия источника.
Научная и практическая значимость работы заключается в комплексном изучении физических процессов, протекающих при ламинарно-турбулентном переходе неоднородного сверхзвукового пограничного слоя в естественных и контролируемых условиях. Показана актуальность применения термоанемометра постоянного сопротивления при изучении средних и пульсационных характеристик неоднородного пограничного слоя при сверхзвуковых скоростях. Экспериментальные результаты развивают и дополняют общепринятые представления о механизмах взаимодействия пульсаций в ламинарном сверхзвуковом пограничном слое, а также служат базой для построения новых теоретических моделей взаимодействия волн неустойчивости в сжимаемых сдвиговых потоках при наличии неровности поверхности, что будет способствовать развитию практических способов предсказания чисел Рейнольдса перехода. Установлено, что поперечная неоднородность среднего течения в пограничном слое может приводить к конкуренции субгармонического резонанса и механизма наклонного перехода. Обнаружена возможность стабилизации развития контролируемых возмущений в пограничном слое плоской пластины и скользящего крыла с помощью распределенной микрошероховатости поверхности моделей. Показано, присутствие поперечной неоднородности среднего течения в пограничном слое изменяет эффективность воздействия источника контролируемых пульсаций; это необходимо учитывать при развитии технологии активного/пассивного управления переходом сверхзвукового пограничного слоя. Полученные экспериментальные результаты могут использоваться при анализе данных по ламинарно-турбулентному переходу на телах, имеющих изолированные или распределенные шероховатости поверхности.
На защиту выносятся результаты экспериментального исследования:
роли механизма наклонного перехода при ламинарно-турбулентном переходе в поперечно-модулированном пограничном слое плоской пластины при числе Маха М = 2.
относительной восприимчивости двумерного и трехмерного сверхзвукового пограничного слоя к стационарным возмущениям, порождаемым плоским элементом шероховатости.
эффективности порождения контролируемых возмущений при фиксированной мощности источника пульсаций в неоднородном двумерном сверхзвуковом пограничном слое при числах Маха М = 2 и 2,5.
эффективности порождения контролируемых возмущений при фиксированной мощности источника пульсаций в неоднородном трехмерном сверхзвуковом пограничном слое при числах Маха М = 2 и 2,5.
Личный вклад автора. При выполнении работ по теме диссертации автор принимала участие в обсуждении поставленных задач и результатов экспериментов, подготовке моделей, элементов шероховатости и установке их на экспериментальных моделях, непосредственных измерениях и анализе экспериментальных данных. Диссертант выполнила проверку применимости методики обработки полученных данных для неоднородных течений и их обработку. Опубликовала основные результаты в рецензируемых журналах и представила на конференциях. Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при личном участии автора. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием в работе стандартных методов экспериментального исследования; применением апробированных методик введения контролируемых возмущений в сверхзвуковой пограничный слой и обработки термоанемометрических измерений; повторяемостью результатов, полученных в разное время. Данные, представленные в разных разделах диссертационной работы, дополняют друг друга и дают целостную картину изучаемого явления. Важным свидетельством достоверности является представление результатов диссертации на тематических научных конференциях, а также публикация в рецензируемых научных журналах.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на семинаре «Механика вязкой жидкости и турбулентность» ИТПМ СО РАН, а также на российских и международных конференциях, в том числе: на Международной конференции по механике жидкости и аэродинамики (WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics, Москва, 2009; Афины, Греция, 2013), на Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010, 2013), на Всероссийской молодежной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 2010), на Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR, Новосибирск, 2010, 2014; Казань, 2012), на Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2010), на X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011), на Всероссийской юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию со дня основания СибНИА «Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов» (Новосибирск, 2011), на Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2011, 2014), на Европейской конференции по механике жидкости (EFMC, Рим, Италия, 2012; Копенгаген, Дания, 2014), на Всероссийской научной конференции студентов физиков (Архангельск, 2013; Ижевск, 2014), на Европейской конференции по аэронавтике и космическим наукам (EUCASS, Мюнхен, Германия, 2013), на международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Евпатория, Украина, 2013), на Европейской конференции по турбулентности (ETC, Лион, Франция, 2013), на 8-м Международном симпозиуме по ламинарно-
турбулентному переходу (ШТАМ АВСМ 8th Symposium on Laminar Turbulent Transition, Рио де Жанейро, Бразилия, 2014).
Публикации. Результаты диссертации представлены в 27 печатных работах, четыре из которых - в ведущих научных журналах из перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 140 наименований, и двух приложений. Объем диссертации составляет 203 страницы, включая 169 рисунков.
Методика проведения экспериментов
После шлифовки и полировки модель имела идеально плоскую поверхность со стандартным отверстием диаметром 0,42 мм для введения возмущений, толщина передней кромки 0,02 мм. Используемая система координат изображена на рис. 1.5. Координата х отсчитывается от передней кромки модели в направлении потока, z = 0 соответствует центральной линии симметрии модели, у направлена по нормали к поверхности.
Для введения в сверхзвуковой пограничный слой контролируемых возмущений применялся локализованный источник (генератор возмущений), аналогичный описанному в [90, 96]. Конструкция генератора возмущений основана на тлеющем электрическом разряде в камере [123-125]. Его схема представлена на рис. 1.6 [126].
Отметим некоторые достоинства в конструкции используемого источника: электрод и отверстие источника расположены по вертикальной оси соосно друг с другом, что обеспечивало симметрию в распределениях введенных возмущений по трансверсальной координате в пограничном слое плоской пластины. Камера сглаживала пульсации давления и температуры от тлеющего разряда, что так же способствовало симметричному введению в пограничный слой возмущений. В качестве внутреннего электрода использовался винт с цилиндром диаметром 2 мм с конусной заточкой. А внешним электродом являлась резьбовая вставка в модель. Разряд горел между острием цилиндра и нижней частью выходного канала. Высота выходного канала составляла около 1,5 мм.
Координаты отверстия в пластине: х = Ъ1 ± 0,25 мм, z = 0. Регулируемое расстояние между двумя электродами позволяло изменять как мощность тлеющего разряда, так и спектральный состав начальных возмущений.
Схема зажигания тлеющего разряда приведена на рис. 1.7 [125]. Электрическая цепь состоит из генератора ГЗ-112/1, усилителя мощности с повышающим трансформатором. Усилитель мощности имеет выход для наблюдения процесса горения тлеющего разряда на экране двухлучевого осциллографа С1-96. Генератор ГЗ-112/1 использовался в режиме генерации синусоидального сигнала частотой 10 кГц. Усилитель мощности использовался с коэффициентом усиления около 10, поскольку напряжение сигнала генератора не превышало 5 вольт (peako-peak). Далее сигнал усиливался до напряжения 600-1000 вольт повышающим трансформатором. На вход синхронизации генератора ГЗ-112/1 подавался прямоугольный сигнал частотой 10 кГц с генератора Г6-28 (см. рис. 1.2), который использовался также в блоке синхронизации запуска АЦП, что позволяло выполнять синхронные измерения контролируемых возмущений.
Для создания поперечной модуляции среднего течения в пограничном слое применялись наклейки из скотча различных форм и размеров. Следует отметить, что для обозначения наклеек, создающих поперечную неоднородность среднего течения в пограничном слое, используется несколько терминов, принимаемых синонимами в рамках данной работы: наклейка, элемент шероховатости, одиночная шероховатость, шероховатость, плоская микрошероховатость. Также словосочетания гладкая плоская пластина (гладкая пластина), гладкое скользящее крыло (гладкое крыло) означают, что на поверхности модели в данном случае отсутствовали наклейки. В работе исследовалось влияние поперечной модуляции среднего течения на особенности развития контролируемых пульсаций в пограничном слое, поэтому наклейки располагались на поверхности модели выше по течению относительно источника возмущений. В экспериментах по изучению механизмов взаимодействия возмущений, представленных в Главе 2, применялись периодические прямоугольные и круглые наклейки, создающие поперечную модуляцию среднего течения в широкой области по z: а) прямоугольные наклейки толщиной около 60 микрон. Размер наклейки был примерно 1 мм в ширину и 4 -5 мм в длину. От 15 до 20 наклеек с шагом около 4 мм были расположены параллельно передней кромке на расстоянии 25 мм от нее. Отверстие находилось по центру между наклейками; б) круглые наклейки толщиной 60 и ПО микрон. Диаметр наклеек 6 мм. 10 наклеек с шагом 12 мм были расположены параллельно передней кромке вверх по потоку от источника контролируемых пульсаций. Расстояние от источника возмущений до наклеек 7 мм. Отверстие находилось по центру между наклейками. Схематично постановка эксперимента изображена на рис. 1.8 и 1.9.
В экспериментах по изучению влияния отдельного элемента шероховатости на среднее течение в пограничном слое и относительной восприимчивости сверхзвукового пограничного слоя к стационарным возмущениям (Глава 4), применялись одиночные элементы шероховатости толщиной 60 мкм различной формы. Схематично постановка эксперимента изображена на рис. 1.10-1.12. В экспериментах, представленных в Главе 5, применялись ромбовидные наклейки толщиной 60 мкм. Размер элементов шероховатости 4 мм х 4 мм. Схематично постановка эксперимента изображена на рис. 1.13.
О влиянии поперечной неоднородности среднего течения на оценку амплитудных волновых спектров по Р для контролируемых возмущений
На рис. 2.12-2.15 представлены фазовые траектории возмущений на частоте 20 кГц по z для сечений х = 60, 110, 120, 130 мм. На этих графиках по оси ординат отложена мнимая, а по оси абсцисс - реальная часть гармоники. Фазовая траектория при x = 6Q мм (см. рис. 2.12) закручивается в одну сторону и типична для случая линейного распространения волн неустойчивости [135]. С точностью проводимых измерений ветви фазовой траектории для положительных и отрицательных значений z совпадают. Однако при JC 110 мм, рис. 2.13, положительная и отрицательная ветви фазовой траектории расходятся. Этот факт указывает на не симметрию в амплитудном распределении возмущений при /= 20 кГц относительно z = 0 мм, и как следствие, на отклонение их от линейного развития.
Фазовые диаграммы, приведенные на рис. 2.14 и 2.15, соответствуют нелинейно взаимодействующим волнам неустойчивости, вызванное параметрическим резонансом. Здесь наблюдается характерное изменение фазы на 180, что видно по фазовой траектории благодаря прохождению ее через область вблизи нуля минуя одну четверть, и связывается с наличием пакета стоячих волн в центре волнового поезда [135].
Волновые амплитудные спектры по /? контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты для х = 60, ПО, 120, 130 мм приведены на рис. 2.16 и 2.17. Из рис. 2.16 можно видеть, что эволюция волн субгармонической частоты имеет качественно схожий характер развития со случаем гладкой модели. Этот же результат наблюдался в случае прямоугольных наклеек высотой 60 микрон.
Основным результатом данного эксперимента является обнаружение существенного роста сильнонаклонных волн основной частоты (/? 1,6 рад/мм), чего не наблюдалось в предыдущих экспериментах. Эти результаты представлены на рис. 2.17. Для х = ПО, 120 и 130 мм отчетливо видны пакеты сильнонаклонных волн с максимумами спектров при /? ± 2, ±2,8 рад/мм. Однако для всех неустойчивых возмущений после х = 120 мм рост волн сильно замедлился. Этот факт требует дополнительного осмысления полученных результатов. Из результатов для фазовых спектров по /? при х = 110 и 120 мм, представленных на рис. 2.18 и 2.19, можно сделать вывод, что эти сильнонаклонные волны по-прежнему возбуждаются на линии разряда.
Результаты по развитию волнового поезда в поперечно-модулированном пограничном слое на плоской пластине, приведенные в данном пункте, позволяют заключить, что созданная поперечная модуляция среднего течения (« 30% peako-peak) приводит к возбуждению сильнонаклонных волн основной частоты на плоской пластине и усиливает влияние механизма наклонного перехода в процессе возникновения турбулентности в этом течении. Д рад/мм
В предыдущем пункте показано, что путем увеличения амплитуды модуляции поперечной неоднородности пограничного слоя (правда, с одновременным увеличением периода модуляции) удалось интенсифицировать механизм наклонного перехода. Представляется логичным увидеть уменьшение эффективности наклонного перехода для меньшей амплитуды модуляции среднего течения, но при том же периоде.
Целью экспериментов, приведенных в данном пункте, было исследовать амплитуду модуляции среднего течения и развитие контролируемых возмущений в сверхзвуковом пограничном слое при почти вдвое меньшей толщине круглых наклеек.
Эксперименты выполнены на модели плоской пластины при числе Маха М = 2,020±0,005 и единичном числе Рейнольдса Rei = (5,56±0,02)х106 м-1. Результаты получены в двух пусках Т-325, однако электрическая мощность разряда была одинаковой, насколько это возможно. Точность поддержания Rei была в пределах от 5,53х106 м"1 до 5,60х106 м"1. Постановка экспериментов описана в п. 1.3.1 и представлена на рис. 1.9. Здесь диаметр наклеек и период их расположения на поверхности модели такой же, как в предыдущем эксперименте, описанном в п. 2.2, а высота наклеек была уменьшена до 60 микрон. Исходя из предположения, что поперечная неоднородность среднего течения в пограничном слое усилит роль механизма наклонного перехода, с уменьшением толщины шероховатостей ожидалось меньшее влияние наклеек на искажение среднего течения, а также уменьшение амплитуды пульсаций сильнонаклонных волн.
Вид модуляции среднего течения в пограничном слое в поперечном направлении для расстояний от передней кромки х = 60, ПО и 120 мм представлен на рис. 2.20. Зеленые прямоугольники соответствуют проекциям элементов шероховатости на ось z. График показывает, что в этом эксперименте наблюдается более сложный вид модуляции среднего течения, однако, как и в экспериментах с аналогичными наклейками большей высоты (см. п. 2.2.) можно выделить две характерных области поперек модели: М-образная форма искажения среднего течения в следе за элементом шероховатости, и «полочка» в следе между наклейками. Амплитуда модуляции имеет тенденцию к уменьшению вниз по потоку, что отлично от результатов для прямоугольных и круглых наклеек, рассмотренных ранее. Кроме того амплитуда модуляции (peako-peak) в данном эксперименте приблизительно в 1,5 раза меньше, чем в экспериментах с аналогичными наклейками большей высоты.
Распределения по координате z амплитуды пульсаций массового расхода контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты для JC = 60, ПО, 120 мм приведены на рис. 2.21 и 2.22. Несмотря на то, что в экспериментах фиксировалась электрическая мощность источника возмущений в данном случае уровень амплитуды контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты в начальном сечении при JC = 60 мм в 1,5 раза меньше, чем в предыдущем эксперименте с аналогичными наклейками высотой ПО микрон.
Далее вниз по потоку амплитудные распределения субгармонических возмущений имеют сложную структуру, но в среднем уровень возмущений не нарастает. Для частоты 20 кГц наблюдается тенденция затухания контролируемых возмущений вниз по потоку (см. рис. 2.22). При этом не происходит расплывания пакета волн основной частоты.
Волновые амплитудные спектры по /? контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты для х = 60, ПО, 120 мм приведены на рис. 2.23 и 2.24. Здесь не наблюдается привычной картины эволюции волн в сверхзвуковом пограничном слое. Сложный характер этих спектров не позволяет выделить каких-то закономерных механизмов развития волн. Отметим только, что вниз по потоку происходит искажение амплитудно-волновых спектров относительно /? = 0.
Однако сильнонаклонные волны по-прежнему возбуждаются в центре волнового пакета, что видно по стабилизации зависимости фазы по /? в области амплитудных максимумов, которая наблюдается в результатах, представленных на рис. 2.25 и 2.26.
Сравнивая эти результаты с ранее полученными нашими данными на гладкой стальной пластине [90, 135], можно сделать вывод, что с помощью модуляции среднего течения мы можем стабилизировать развитие волнового пакета. На рис. 2.21-2.24 мы видим, что амплитуды сигналов очень маленькие и расплывания пакета не происходит. Отметим, что на гладкой модели даже при малом начальном уровне контролируемых возмущений вниз по потоку наблюдалось нарастание вводимых пульсаций [90].
Результаты для периодических круглых наклеек высотой 60 мкм
Сравнение волновых амплитудных спектров по поперечному волновому числу /? для контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты при х = 14,1, 28,3 и 35,4 мм приведены на рис. 3.22 - 3.27. Из графиков видно, что во всех случаях наиболее растущими возмущениями на основной и субгармонической частоте являются волны с /? 1 рад/мм. Как уже отмечалось ранее в п. 3.2 для случая с наклейками с шагом 12 мм начиная с JC —28.3 мм появляются дополнительные пики в амплитудных волновых спектрах на основной частоте, что может быть связано с проявлением механизма наклонного перехода.
На рис. 3.28 и 3.29 изображены передаточные зависимости по поперечному волновому числу /? для частоты 10 кГц в энергонесущей части спектра. Из графиков видно, что на начальном этапе для наиболее усиливаемых волн ф = 1 рад/мм) скорость роста возмущений на крыле с шероховатостями с шагом 12 мм приблизительно в 2 раза больше, чем скорость роста возмущений на гладком крыле и крыле с шероховатостями с шагом 6 мм. Однако уже на расстоянии 35,36 мм от разряда скорости роста возмущений на гладком крыле и крыле с наклейками с шагом 12 мм становятся одинаковыми и они в два раза больше скорости роста на крыле с шероховатостями с шагом 6 мм.
На рис. 3.30 и 3.31 изображены передаточные зависимости по поперечному волновому числу /? для частоты 20 кГц. Из графиков видно, что на начальном этапе для наиболее усиливаемых волн ф = 1 рад/мм) скорость роста возмущений на крыле с шероховатостями с шагом 6 мм и на гладком крыле меньше, чем скорость роста возмущений на крыле с шероховатостями с шагом 12 мм. Однако на расстоянии от разряда 35,36 мм скорость роста возмущений на гладком крыле становится приблизительно в 1,5 раза больше, чем скорость роста на крыле с шероховатостями.
Таким образом, можно сделать вывод, что с помощью микрошероховатостей можно застабилизировать развитие возмущений основной и субгармонической частоты на скользящем крыле, по крайней мере в ближнем поле от разряда.
На рис. 3.32 - 3.34 изображены изолинии амплитуды возмущений основной частоты в поперечном направлении во времени при х = 14.14 мм в трех различных случаях расположения наклеек на крыле. Также на графиках зелеными прямоугольниками схематично изображены проекции элементов шероховатостей на ось z . Из графиков видно, что для случая гладкого крыла (рис. 3.32) и крыла с шероховатостями с шагом 12 мм (рис. 3.34) изолинии амплитуды возмущений имеют качественно одинаковую картину развития во времени (присутствие только одного пика в распределении амплитуды пульсаций в поперечном направлении). Возможно, это объясняется тем, что в обоих этих случаях перед разрядом отсутствует наклейка. В случае шероховатостей с периодом 6 мм (рис. 3.33) наличие наклейки, расположенной на линии разряда, приводит к появлению двух пиков (положительного и отрицательного) в распределении амплитуды пульсаций поперек модели. Такой характер эволюции во времени сохраняется вниз по потоку.
Изолинии амплитуды возмущений для частоты 20 кГц в поперечном направлении во времени при х = 14,1 мм. Скользящее крыло с периодическими наклейками с шагом 12 мм.
Сравнение экспериментальных данных по развитию контролируемых пульсаций в пограничном слое гладкого скользящего крыла и скользящего крыла с шероховатостями показывает, что модуляция среднего течения в пограничном слое может приводить к изменению относительной восприимчивости пограничного слоя к контролируемым возмущениям, как в большую, так и в меньшую сторону. Определено, что в неоднородном пограничном слое изменяется скорость роста возмущений. Показана возможность стабилизации развития возмущений в пограничном слое скользящего крыла. Обнаружено, что расположение шероховатостей относительно источника контролируемых возмущений влияет на амплитуду возбуждаемых в пограничном слое пульсаций (эффективность источника) и на их развитие вниз по потоку.
Сравнение результатов для периодических наклеек со случаем гладкой поверхности крыла
Таким образом, в исследованиях по развитию контролируемых возмущений в поперечно-модулированном пограничном слое на плоской пластине при числе Маха 2, было получено, что при данной мощности разряда создаваемое искажение среднего течения приводит к конкуренции нелинейных механизмов взаимодействия неустойчивых волн в пограничном слое (субгармонический резонанс и наклонный переход). Показано, что оба типа нелинейного взаимодействия в физическом пространстве не различимы - они проявляют себя в виде стоячей волны в центре волнового пакета. Определено, что реализованная поперечная модуляция среднего течения изменяет восприимчивость пограничного слоя к контролируемым возмущениям: для субгармонической частоты в большую сторону, для волн основной частоты - в меньшую.
В данной серии экспериментов при числе Маха 2,5 значение единичного числа Рейнольдса было таким же, как в экспериментах, описанных выше при М = 2. Такой режим соответствует полету с набором скорости и высоты.
Измерения в экспериментах, представленных в данном пункте, проводились при числе Маха набегающего потока М = 2,523±0,004, единичном числе Рейнольдса Rei = (5,01±0,01)х106 м-1 и статическом кГс давлении Pst = 275±1 —- Точность поддержания Rei была в пределах от кТс кТс4,99х 106 м-1 до 5,03х 106 м"1, точность поддержания Pst - от 272 — до 276 — На рис. 5.13 представлен характер модуляции среднего течения поперек модели на различных расстояниях от передней кромки. Поскольку с увеличением числа Маха при фиксированном единичном числе Рейнольдса толщина пограничного слоя в месте установки шероховатостей возрастает, то шероховатости оказывают меньшее влияние на среднее течение. Амплитуда стационарных возмущений приблизительно в 1,5 раза меньше, чем в экспериментах при числе Маха 2 и не изменяется вниз по потоку. Период модуляции среднего течения соответствует периоду наклеек на поверхности модели и не меняется с увеличением расстояния от передней кромки.
Зависимость pU/pUx, от z. Плоская пластина с двумя элементами шероховатости, М = 2,5, Rei = 5 106 м"1. Зависимости от z амплитуды пульсаций массового расхода контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты для JC = 60, 70, 80 и 90 мм приведены на рис. 5.14 и 5.15. Характер развития волнового пакета субгармонической и основной частоты качественно совпадает с результатами в пограничном слое гладкой плоской пластины [135].
Волновые амплитудные спектры по поперечному волновому числу /? для контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты при х = 60, 70, 80 и 90 мм приведены на рис. 5.16 и 5.17. Механизм наклонного перехода начинает проявляться при х = 80 мм, однако, он очень слабый, как и в случае гладкой пластины. Из графиков видно, что в данном случае волновой пакет развивается почти линейно на субгармонической и основной частоте.
На рис. 5.18 и 5.19 представлены мгновенные пространственные распределения амплитуды пульсаций массового расхода субгармонической и основной частоты при х = 90 мм. Эти результаты также подтверждают отсутствие нелинейности.
На рис. 5.20-5.23 приведены сравнения волновых амплитудных спектров пульсаций по поперечному волновому числу /? для контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты в пограничном слое гладкой плоской пластины и пластины с шероховатостями в начальном сечении JC = 60 мм (рис. 5.20 и 5.21) и контрольном сечении x = 9Q мм (рис. 5.22 и 5.23). Из этих графиков можно сделать вывод, что поперечная модуляция среднего течения приводит к слабому увеличению восприимчивости пограничного слоя к контролируемым возмущениям, и практически не влияет на развитие этих возмущений вниз по потоку.
Исследования развития контролируемых возмущений в пограничном слое плоской пластины при числе Маха 2,5 и единичном числе Рейнольдса Rei=5xl06 м-1 с реализованным характером поперечной модуляции среднего течения показали, что при данной электрической мощности разряда волновой пакет субгармонической и основной частоты развивается почти линейно, механизм наклонного перехода слабо выражен, как и для случая гладкой пластины. Получено, что поперечная неоднородность среднего течения приводит к слабому увеличению восприимчивости пограничного слоя к контролируемым возмущениям, и практически не влияет на развитие этих возмущений вниз по потоку. 8,41х 106 м-1 до 8,47х 106 м , точность поддержания Pst - от 476 — до 480 — Характер модуляции среднего течения поперек модели на различных расстояниях от передней кромки представлен на рис. 5.24. На рисунке зелеными прямоугольниками схематично изображены проекции элементов шероховатости на ось z. Измерения показали, что амплитуда модуляции не меняется вниз по потоку и составляет около 5% peako-peak. Период модуляции среднего течения соответствует периоду наклеек на поверхности модели и также не изменяется вниз по потоку, как и в предыдущих экспериментах, описанных в п. 5.1.1 и 5.1.2.
Зависимости от z амплитуды пульсаций массового расхода контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты для х = 60, 70, 80 и 90 мм приведены на рис. 5.25 и 5.26. При данной мощности электрического разряда в пограничный слой вводятся преимущественно возмущения основной частоты. Амплитуда возмущений основной частоты приблизительно в 2 раза больше, чем амплитуда возмущений субгармонической частоты.
Волновые амплитудные спектры по поперечному волновому числу /? для контролируемых возмущений субгармонической и основной частоты при х = 60, 70, 80 и 90 мм приведены на рис. 5.27 и 5.28. Механизм наклонного перехода начинает проявляться при х = 80 мм, однако он слабо выражен, аналогично результатам на гладкой пластине. Из графиков видно, что в данном случае волновой пакет развивается почти линейно на субгармонической и основной частоте.