Экспериментальное исследование механизмов возбуждения мод неустойчивости поперечного течения в пограничном слое скользящего крыла тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

/ • Я {7- / ЛГт? /"

российская академия наук ордена ленина сибирское отделение институт теоретической и прикладной механики

На правах рукописи удк: 532.526.

Иванов Андрей Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ МОД НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПОПЕРЕЧНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ СКОЛЬЗЯЩЕГО КРЫЛА

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Ю.С. Качанов

Новосибирск 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение............................................................................................................. 7

ГЛАВА I. Обзор работ и постановка задачи исследования.................. 13

§1.1. Формулировка задачи восприимчивости и её исследования

в двумерных пограничных слоях..................................................... 13

§1.2. Восприимчивость пограничного слоя на скользящем крыле...... 19

ГЛАВА II. Методики экспериментальных исследований...................... 28

§2.1. Аэродинамическая труба и экспериментальная модель.............. 28

§2.2. Структура среднего течения в пограничном слое

скользящего крыла........................................................................... 29

2.2.1. Потенциальное течение........................................................ 29

2.2.2. Пограничный слой.................................................................33

§2.3. Методы моделирования нестационарных неоднородностей

поверхности....................................................................................... 39

2.3.1. Электромагнитный вибратор............................................... 39

2.3.2. Пневматический вибратор................................................... 41

§2.4. Методы измерения моделируемых вибраций поверхности.......... 43

2.4.1. Лазерно-оптический метод...................................................43

2.4.2. Гидростатический метод измерения.................................... 45

2.4.3. Катетометрический метод....................................................47

2.4.4. Термоанемометрический метод измерения

фаз вибраций.......................................................................... 47

§2.5. Результаты измерения формы вибраций. Сравнение

электромагнитного и пневматического источников.....................48

§2.6. Волновые спектры вибраций поверхности.................................... 52

§2.7. Процедуры определения функций восприимчивости течения

к внешним возмущениям.................................................................. 55

2.7.1. Восприимчивость к неоднородностям поверхности.......... 55

2.7.2. Акустическая восприимчивость.......................................... 59

ГЛАВА Ш. Восприимчивость пограничного слоя скользящего крыла к стационарным и нестационарным неоднородностям поверхности............................................... 61

§3.1. Экспериментальная методика......................................................... 61

3.1.1. Основные параметры экспериментов и

характеристики среднего потока......................................... 61

3.1.2 Принципиальная схема экспериментов,

используемая аппаратура......................................................63

3.1.3 Методика измерений и первичной обработки данных...... 65

3.1.4 Параметры контролируемых возмущений......................... 66

§3.2. Развитие волн неустойчивости вниз по потоку от

источника возмущений..................................................................... 67

3.2.1. Профили возмущений по нормали к стенке, собственные функции........................................................... 67

3.2.2. Линейность исследуемых задач восприимчивости

и устойчивости....................................................................... 71

3.2.3. Поперечные распределения возмущений

в волновых поездах................................................................ 74

3.2.4. Волновые спектры мод неустойчивости

поперечного течения............................................................. 79

§3.3. Начальные характеристики волн неустойчивости

и дисперсионные функции............................................................... 83

3.3.1. Начальные амплитудные спектры волн

неустойчивости...................................................................... 83

3.3.2. Начальные фазовые спектры волн неустойчивости......... 87

3.3.3. Дисперсионные функции волн неустойчивости................. 91

3.3.4. Резонансные спектры вибраций...........................................93

§3.4. Функции восприимчивости для различных частот........................ 93

3.4.1. Амплитудная часть функций восприимчивости................93

3.4.2. Фазовая часть функций восприимчивости..........................95

§3.5. Восприимчивость к стационарным неоднородностям

поверхности....................................................................................... 98

3.5.1. Начальный амплитудный спектр вихрей поперечного течения.................................................................................... 98

3.5.2. Начальный фазовый спектр вихрей поперечного течения................................................................................... 100

3.5.3. Дисперсионная функция стационарных мод......................103

3.5.4. Спектр неоднородности поверхности.................................110

3.5.5. Оценка амплитуд восприимчивости к стационарным неоднородностям поверхности............................................. 112

3.5.6. Оценка фаз восприимчивости к стационарным неоднородностям поверхности............................................ 116

§3.6. Сравнение полученных экспериментальных данных по

восприимчивости с расчетами по линейной теории..................... 119

ГЛАВА IV. Возбуждение волн неустойчивости в пограничном

слое скользящего крыла при рассеянии акустической волны на вибраторе..................................................................126

§4.1. Методика исследования вибро-акустической

восприимчивости............................................................................. 126

§4.2. Схема эксперимента и процедура измерений............................... 128

§4.3. Результаты основных измерений в потоке................................... 131

4.3.1. Осциллограммы и спектры сигналов, регистрируемых

термоанемометром в пограничном слое......................................................131

4.3.2. Структура сигналов на частоте акустического воздействия......................................................................................................................................................133

4.3.3. Волны неустойчивости, возбуждаемые вибрациями........ 135

4.3.4. Генерация волн неустойчивости на комбинационных частотах..................................................................................................................................................................138

§4.5. Оценки дисперсионных свойств комбинационных мод..............................141

§4.6. Оценки коэффициентов вибро-акустической

восприимчивости..........................................................................................................................................................147

ГЛАВА V. Акустическая восприимчивость пограничного слоя скользящего крыла при рассеянии звука на неровности поверхности.......................................................... 151

§5.1. Идея метода фазированной неровности........................................ 151

§5.2. Принципиальная схема и процедура измерений........................... 152

§5.3. Характеристики фазированной неровности и

акустического поля..........................................................................153

5.3.1. Форма и параметры фазированной неровности................ 153

5.3.2. Характеристики акустического поля................................ 158

§5.4. Результаты измерений в пограничном слое.................................. 160

5.4.1. Распределения амплитуд и фаз суммарного сигнала

по размаху модели................................................................ 160

5.4.2. Профили по нормали к поверхности.................................. 162

5.4.3. Распределения амплитуд и фаз суммарного сигнала

вниз по потоку....................................................................... 164

§5.5. Выделение мод неустойчивости, генерируемых акустикой

на неровности поверхности........................................................... 164

5.5.1. Поперечно-волновые спектры сигналов........................... 164

5.5.2. Распределения амплитуд и фаз волн неустойчивости

по размаху модели................................................................ 166

5.5.3. Профили амплитуд и фаз волн неустойчивости

по нормали к поверхности................................................... 169

5.5.4. Развитие волны неустойчивости вниз по потоку.............. 170

§5.6. Дисперсионные свойства волн неустойчивости и

характеристики акустической восприимчивости течения.......... 172

Заключение...................................................................................................... 178

Список литературы.........................................................................................180

Апробация работы и список публикаций по теме диссертации.............195

ВВЕДЕНИЕ

Проблема перехода ламинарных течений в турбулентное состояние является в настоящее время предметом наиболее интенсивных теоретических и экспе риментальных исследований в механике жидкости и газа. Прежде всего это обусловлено большим фундаментальным и прикладным значением проблемы. Практическая важность вопроса связана прежде всего с необходимостью предсказания положения перехода и с задачами управления течениями жидкости и газа в пограничных слоях с целью уменьшения аэродинамического и гидравлического сопротивления различных транспортных средств. Наиболее остро эта проблема стоит в авиации, где ламинаризация обтекания самолетов позволила бы сэкономить гигантские средства за счет экономии топлива.

В ламинарно-турбулентном переходе в пограничных слоях с малым уровнем внешних возмущений можно выделить три основных проблемы: преобразование различных внешних (по отношению к самому пограничному слою) возмущений в собственные колебания пограничного слоя — задача восприимчивости; линейное развитие (нарастание) этих волн в соответствии с физическими параметрами течения и возмущений — задача устойчивости; и, наконец, нелинейное разрушение и стохастизация ламинарного течения вплоть до окончательного перехода к развитому турбулентному состоянию. Вышесказанное в полной мере относится и к трёхмерным пограничным слоям на скользящих крыльях. В настоящее время является общепризнанным, что одним из доминирующих механизмов неустойчивости таких течений является, так-называемая, неустойчивость поперечного (вторичного) течения, формирующегося на стреловидном крыле в областях благоприятного (в области носика) и неблагоприятного (вдали от передней кромки) градиентов давления.

Наиболее исследованным аспектом ламинарно-турбулентного перехода, в настоящее время, является этап линейного развития возмущений. В особенности это относится к двумерным пограничным слоям и в несколько меньшей степени к трёхмерным, реализующимся, в частности, на стреловидных крыльях. Значительный прогресс в понимании процесса перехода стал возможен с развитием линейной теории устойчивости, результаты которой сегодня находятся, как правило, в хорошем согласовании с результатами экспериментов, проведенных в различных малотурбулентных аэродинамических установках в условиях контролируемых возмущений.

Проблема восприимчивости исследована значительно слабее, в особенности для случая трёхмерных пограничных слоёв на скользящих крыльях. Успехи в её изучении в основном связаны с появившимися относительно недавно линейными теориями восприимчивости, позволяющими предсказать начальные амплитуды волн неустойчивости исходя из сведений об уровне и характере внешних возмущений, воздействующих на пограничный слой. Что касается экспериментальных исследований восприимчивости, то можно отметить, что они начались сравнительно недавно, в особенности для трёхмерных пограничных слоёв. Для пограничного слоя скользящего крыла результаты экспериментального исследования задачи о возбуждении мод неустойчивости поперечного течения носят в большинстве качественный характер. Довольно часто, даже если эти результаты содержат количественные характеристики, провести их сравнение с теорией не представляется возможным, из-за отсутствия полного набора данных необходимых для проведения расчета. Между тем, такое сопоставление представляется очень важным, особенно с точки зрения верификации теории. Подтверждение расчетов результатами надежного, проведенного при полностью контролируемых параметрах эксперимента, позволило бы в дальнейшем уверенно использовать эту

теорию для предсказания начальных амплитуд мод неустойчивости поперечного течения (как стационарных, так и нестационарных), возбуждаемых в трёхмерном пограничном слое. С учетом линейной теории устойчивости это позволило бы проследить дальнейшее развитие возмущений вплоть до начала нелинейных стадий перехода к турбулентности. Учитывая, что варьирование начальных и граничных условий в расчетах осуществляется, как правило, легче (дешевле) чем в эксперименте, исследователи получили бы в этом случае мощный инструмент для создания и развития новых методов предсказания положения перехода, учитывающих амплитуду и спектральный состав внешних возмущений, а также для разработки инженерных методов активного управления переходом.

В силу вышесказанного представлялось важным провести ряд экспериментальных исследований восприимчивости пограничного слоя скользящего крыла, нацеленных на получение надежной количественной информации о преобразовании некоторых наиболее опасных внешних возмущений в волны неустойчивости поперечного течения.

Таким образом, цель настоящей работы заключалась в следующем. Опираясь на богатый опыт экспериментальных исследований с контролируемыми возмущениями, а также на дополнительные, специально разработанные методики, провести исследование линейной восприимчивости трехмерного пограничного слоя скользящего крыла, а именно изучить механизмы возбуждения мод неустойчивости поперечного течения (как стационарных, так и нестационарных) под действием вибраций обтекаемой поверхности, неровностей поверхности и при рассеянии акустических волн на локализованных неоднородностях поверхности крыла.

В результате экспериментов предполагалось получить количественные результаты по указанным механизмам восприимчивости (в частности коэффициенты восприимчивости), и провести их корректное сопоставление

с расчётами по линейной теории восприимчивости трёхмерного пограничного слоя (выполненными другими авторами).

Диссертация состоит из введения, пяти глав с изложением результатов исследований, заключения, списка цитируемой литературы и списка работ, опубликованных по теме диссертации.

В главе 1 приводится обзор основных теоретических и экспериментальных работ в соответствии с темой диссертационной работы. Рассматривается текущее состояние исследований восприимчивости двумерных и трёхмерных пограничных слоёв.

В главе 2 описывается экспериментальная установка, используемая модель скользящего крыла, условия проведения экспериментов, методы измерений и характеристики среднего течения. Проводится сравнение трехмерной структуры исследуемого пограничного слоя с расчетами. Рассматриваются созданные в рамках данной работы методы возбуждения контролируемых возмущений потока и методы анализа экспериментальных данных.

В главе 3 представлены количественные результаты экспериментального исследования восприимчивости пограничного слоя скользящего крыла к вибрациям и неровностям поверхности. В частности, получены комплексные коэффициенты восприимчивости трёхмерного пограничного слоя как функции частоты возмущения (включая нулевую частоту) и поперечного волнового числа, или угла наклона волны к потоку. Проводится сравнение с расчетами по линейной теории восприимчивости.

В главе 4 изложены результаты экспериментального исследования взаимодействия акустической волны с вибрациями обтекаемой поверхности. Показывается, что акустические возмущения возбуждают на вибраторе волны неустойчивости поперечного течения с комбинационными частотами.

Приводится оценка коэффициентов вибро-акустической восприимчивости пограничного слоя скользящего крыла.

В главе 5 количественно исследуется акустическая восприимчивость изучаемого трёхмерного пограничного слоя при рассеянии акустической волны на стационарной неоднородности поверхности. Показано, что акустическое воздействие приводит к возбуждению волн неустойчивости поперечного течения на частоте звуковой волны. Получены начальные значения амплитуды и фазы возбуждаемой волны неустойчивости поперечного течения и амплитуда и фаза комплексного коэффициента акустической восприимчивости.

В заключении сформулированы основные выводы работы.

На защиту выноси тся:

- методика возбуждения в трехмерном пограничном слое скользящего крыла волн неустойчивости поперечного течения с широким спектром волновых чисел (в требуемом диапазоне частот) при помощи источников возмущений, моделирующих локализованную вибрацию поверхности.

- различные методики прецизионного измерения формы колебаний поверхности при экспериментальном исследовании восприимчивости.

- результаты количественного экспериментального исследования восприимчивости пограничного слоя скользящего крыла к локализованным вибрациям поверхности.

- результаты количественного экспериментального исследования восприимчивости пограничного слоя к стационарным неоднородностям поверхности.

- результаты экспериментального исследования восприимчивости пограничного слоя при взаимодействии внешней акустики с локализованной вибрацией поверхности.

- результаты количественного экспериментального исследования акустической восприимчивости пограничного слоя при рассеянии акустики на стационарной неоднородности поверхности.

В заключении автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю, д.ф.-м.н. Качанову Ю.С. за руководство и �