Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 491, № 1, стр. 75-79

ВВЕДЕНИЕ

Проблема управления ламинарными течениями, имеющая главной целью затягивание вниз по потоку положения перехода пограничного слоя (ПС) в турбулентное состояние, является одной из ключевых. Однако существует множество факторов, таких как неровность и оребрение, кривизна, нагревание и охлаждение поверхности, отсос и вдув в ПС и другие факторы, в той или иной степени влияющие на линейную устойчивость течения и переход к турбулентности [1–3]. К настоящему времени в рамках лабораторных исследований апробированы разнообразные способы управления ламинарным течением [4–10].

Хотя некоторые из подобных подходов находятся вне тематики данной работы и по существу имеют смежный характер, отметим, тем не менее, что управление ПС путем впрыска жидкости через отверстия давно используется для снижения акустической шумности подводных объектов и для повышения порога турбулизации ПС в высокоростных струйных гидрорезательных машинах. Поэтому кратко сформулируем лишь наиболее важные экспериментальные результаты, которые были получены, главным образом, нашим авторским коллективом путем отсоса газа через проницаемую стенку, промышленная технология получения которой в последнее время получила большое развитие.

Исследования процесса развития первоначально синусоидальных возмущений в ламинарном ПС при наличии отсоса через узкую щель [11] показали, что амплитуда возмущений уменьшается поперек всего ПС в окрестности щели и, следовательно, возмущения остаются линейными на значительно большем расстоянии вниз по потоку и перехода к турбулентности не происходит. В рамках изучения свойств ПС с продольно ориентированными стационарными вихрями [12] установлено, что локализованное отсасывание через миниатюрное отверстие в обтекаемой поверхности способно заметно ослабить вторичную неустойчивость такого течения. Эффект достигается воздействием на структуру первичных вихрей и максимален при отсасывании непосредственно под вихрем, на котором развивается вторичная неустойчивость. Эксперименты [13], направленные на изучение возможности управления развитием возмущений в ПС скользящего крыла с помощью локализованного и распределенного отсоса через ряд отверстий на обтекаемой поверхности, показали, что:

а) турбулизация течения связана с развитием вторичных высокочастотных возмущений на полосчатых структурах, модулирующих течение в трансверсальном направлении;

б) локализованный отсос в трансверсальном направлении не оказывает существенного влияния на подавление интенсивности вторичных возмущений;

в) распределенный отсос через несколько локализованных в трансверсальном направлении отверстий (при той же величине отсасываемого газа, как и через одно отверстие) снижает как интенсивность полосчатой структуры, так и интенсивность вторичных возмущений, и коэффициент этого снижения растет с увеличением количества отверстий, через которые ведется отсос;

г) распределенный отсос через ряд отверстий, общая протяженность которых занимает весь трансверсальный размер полосчатой структуры, подавляет интенсивность развития вторичных возмущений примерно в три раза и, таким образом, затягивает турбулизацию течения.

В процессе исследований ПС с продольно ориентированными стационарными вихрями [12, 13] установлено, что локализованное отсасывание через миниатюрное отверстие в обтекаемой поверхности способно заметно ослабить вторичную неустойчивость такого течения. Эффект достигается воздействием на структуру первичных вихрей и максимален при отсасывании непосредственно под вихрем, на котором развивается вторичная неустойчивость. В целом эксперименты показали, что отсос, как средство управления переходом ПС, более эффективен в сравнении с другими методами управления.

Целью настоящей работы является обобщение опыта применения существующих способов управления, основанных на отсосе из ПС, и поиск такой проницаемой поверхности, на базе которой можно было бы объединить достоинства указанных способов воздействия на ПС как на линейной, так и на нелинейной стадиях перехода к турбулентности на крыловом профиле (КП).

Эксперименты проводились в дозвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе T-324 Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН при скорости набегающего потока U_∞ = 10.5 м/с, что соответствовало числу Рейнольдса по хорде крыла Re_c = = 0.35 × 10⁶. Исследуемая модель представляет собой прямоугольный в плане КП, составленный из профильных сечений NACA 0012 с относительной толщиной t/c = 0.12. Cхема модели представлена на рис. 1. Для организации равномерного стационарного отсоса воздуха из ПС использовалась заделанная заподлицо с основной поверхностью мелкоперфорированная секция длиной 90 мм и размахом 400 мм, изготовленная по технологии 2-го поколения, обтекание которой эквивалентно обтеканию гидравлически гладкого аналога. Средняя (по площади) скорость отсасываемого воздуха U_s, равная 0.2 м/с, а также средняя скорость U и пульсации скорости u' в ПС регистрировались термоанемометром постоянной температуры AN-1003. Искусственное внешнее акустическое поле создавалось громкоговорителем, помещенным в рабочую часть аэродинамической трубы позади модели КП.

Рис. 1.

Основные конструктивные элементы модели крыла для отсоса ПС: а – вид в плане; б – вид в продольном сечении; в – схема отсоса. 1 – перфорированная секция, 2 – каналы отсоса, 3 – камера отсоса, 4 – мелкоячеистый фильтр, 5 – двухслойный регулируемый хонейкомб, 6 – приемники давления, 7 – резервная камера, 8 – концевая шайба, 9 – зализ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Отметим прежде всего, что базовый (без отсоса) ПС на КП находится в ламинарном состоянии и имеет классический характер. Это подтверждают профили средней скорости U_i(y), интегральные параметры и профили пульсаций скорости u'(y) в ПС, демонстрирующие достаточно низкий уровень естественных возмущений по всей высоте ПС.

Исследования свойств течения на КП в условиях управления ламинарным ПС показали:

отсос существенно влияет на профили скорости, уменьшая толщину ПС и существенно снижая уровень пульсаций фоновых возмущений по всей высоте ПС (рис. 2). Более того, отсос способствует присоединению оторвавшегося в окрестности задней кромки крыла ПС; как следует из кривых нарастания интенсивности естественных возмущений вдоль хорды КП (рис. 3), отсос существенно уменьшает уровень пульсаций скорости позади перфорированной секции, причем при x = 475 мм это уменьшение достигает 10 раз; профили скорости на базовом КП демонстрируют наличие ламинарного течения во всей области измерений, а профили пульсаций скорости показывают наличие возмущения типа волны Толлмина–Шлихтинга (ТШ) с двумя максимумами вблизи стенки и в области внешней границы ПС. Из них следует, что имеет место процесс развития линейной волны ТШ с основной частотой f = 361 Гц. В области неблагоприятного градиента давления интенсивность возмущения (основной волны) нарастает и достигает 1.4% от U_∞ в конце исследуемой области. При этом возникают кратные основной частоте гармоники и субгармоника, т.е. процесс, постепенно, переходит на нелинейную стадию развития. При наличии отсоса каких-либо признаков возникновения данной характерной частоты не наблюдается, что является чрезвычайно благоприятным фактором;

Рис. 2.

Профили средней скорости (а) и пульсаций скорости (б) в ПС позади перфорированной секции (х = 475 мм) при наличии естественных возмущений: без отсоса (1) и с отсосом (2).

Рис. 3.

Кривые распределения интенсивности естественных возмущений в пограничном слое вдоль хорды КП: без отсоса (1) и при наличии отсоса (2).

при наложении внешнего акустического поля на частоте наиболее растущей субгармоники, равной 169 Гц, и наличии отсоса подавляются основная частота, кратные ей гармоники и субгармоника. При этом интенсивность основной волны Толлмина–Шлихтинга уменьшается примерно в 20 раз (рис. 4).

Рис. 4.

Кривые нарастания вдоль хорды КП интенсивности возмущений, возбуждаемых внешним акустическим полем частотой 169 Гц: без отсоса (1) и при наличии отсоса (2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые показано, что распределенный отсос через гидравлически гладкую мелкоперфорированную поверхность является эффективным средством затягивания положения перехода из ламинарного состояния в турбулентное на крыловом профиле. Данный способ управления позволяет снизить в 10 раз интенсивность естественных возмущений пограничного слоя, а при наложении искусственных возмущений на частоте субгармоники интенсивность волны уменьшается примерно в 20 раз. Установлено также, что распределенный отсос существенно влияет на среднее течение, вплоть до устранения отрыва пограничного слоя вблизи задней кромки крыла.