Пространственные пристенные течения в областях сопряжений аэродинамических поверхностей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГЗ оо 21 РЕВ 1993

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи

КОРНИЛОВ Владимир Иванович

УДК 532.526.4

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ПРИСТЕННЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ОБЛАСТЯХ СОПРЯЖЕНИЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание учепой степени доктора фиэико - математических наук

Новосибирск 1993

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А.Ф.Курбацкий

доктор физико-математических наук, профессор Ю. В.Лапин

доктор технических наук, профессор Е.М.Хабахпашева

Ведущая организация: Центральный аэрогидродинамический

институт им. проф. Н.Е.Чуковского

Защита состоится -и QpmQ 1993года в 9 ~ часов на заседании специализированного совета Д 002.65.01 в Институте теплофизики Сибирского отделения РАН

Адрес: 630090, Новосибирск,проспект академика Лаврентьева,!

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН

Автореферат разослан <pf€p 1993года

Ученый секретарь специализированного

совета Д 002.65.01

доктор физико-математических наук

К/

Р.Г. Шарафутдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Создание аэродинамически совершенных компоновок летательных аппаратов продолжает оставаться одной из актуальных проблем как теоретической, так и практической аэродинамики. В прикладном аспекте эта проблема сводится, в частности, к определению оптимальных форм сопряжений аэродинамических элементов типа крыло-фюзеляж как с точки зрения обеспечения минимального сопротивления всей компоновки, так и сохранения или даже улучшения ее несущих свойств. В фундаментальном аспекте - к изучению физических свойств и закономерностей развития течения в областях сопряжений аэродинамических поверхностей с целью построения приемлемых методов расчета этого сложного класса течений. В частном случае подобные конфигурации имеют вид продольно обтекаемого плоского или криволинейного двугранного угла (ДУ), который широко встречается не только в конструкциях авиационно-космической техники, но даже в рабочих частях аэродинамических труб, в которых проводятся сами испытания этих конструкций.

Пространственные течения в угловых конфигурациях нередко формируются в условиях большого количества осложняющих факторов:существенного влияния предыстории потока, наличия градиента давления, продольной и поперечной кривизны сопрягаемых поверхностей, несимметрии течения, проявления существенного эффекта вязко- невязкого взаимодействия.

Актуальность проблемы обуславливает значительно возросший в последние годы интерес ряда исследователей к ее отдельным научным и практическим аспектам. Быстро растет и число публикаций, в особенности в последние два- три десятилетия. Следует выделить исследования П.Брэдоюу, И.М.М. А.Шабака, А.Д.Юнга, О.О.Мойолы, С.Саройи, Г.М.Брегга, Е.Брундретта, Ф.Гесснера, М.Парадиса, Х.Перкинса, Л.Г.Лойцянского, П.П.Воротникова, В.П.Шидловского, В.И. Субботина, Е.М.Хабахпашевой, Г.М.Бам-Зеликовича, направленные на изучение свойств сдвигового течения в угловой конфигурации; Ю.Г.Гуревича, Р.Со,Г.Мэллора, Б.Рамаприана, Б.Шивапрасада, П.Брэд-шоу, Р.Мерони, Я.Айхары, К.Коямы, связанные с изучением влияния кривизны; Дк.Хинце, Ф.Клаузера, П.Дк.Х.Буилтьеса, У.Моллера, Е.Марумо, П.Брэдшоу, Ф.Вонга, Л.Г.Лойцянского, Ю.В.Лалина, A.A. Пядишюса, А.А.Шлаячяускаса, Г.П.Зигмантаса, В.В.Зябрикова, посвященные изучению влияния предыстории двумерного течения; В.А.Бари-

нова, Ю.Л.М*ешина, Г.А.Юдина, Ю.В.Бочаровой, А.В.Колесникова, К.А.Почкиной, А.Г.Прозорова, А.Г.Ерезы, Е.Х.Орловской, А.Д.Шга, связанные с изучением возможности повышения эффективности элементов сопряжений; В.С.Демьяненко, Н.Ф.Воробьева, А.И.Глаголева, А.И.Зубкова, Ю.А.Панова, М.А.Зубина, Н.А.Остапенко, А.А.Желтово-дова, Г.С.Сеттлза, С.М.Богдонова, К.Поддара, посвященные изучению структуры течения в угле в условиях взаимодействия с косым скачком уплотнения.В связи с интенсивным развитием вычислительной техники и использованием суперкомпьютеров на качественно новый уровень вышли численные методы расчета (Дк.Кустейк, Д.Арналь). Тем не менее, вследствие многочисленных трудностей как экспериментального, так и расчетного характера, продвижение в понимании всех аспектов течения и, в особенности, осознания всего многообразия различных форм таких течений все же остается весьма медленным. Почти полное отсутствие экспериментальной информации по целому ряду важных практических и фундаментальных направлений этого класса течений сдерживало как создание эффективных методов расчета, так и в значительной степени ограничивало прямой выход на практическое использование. Между тем практика конструирования современных летательных аппаратов постоянно выдвигает все новые задачи, в том числе связанные::с совершенствованием их элементов сопряжений. Поэтому давно возникла необходимость более целенаправленной постановки исследований с охватом воздействия различных факторов, имеющих место в реальных условиях, в широком диапазоне геометрических и режимных параметров, чисел Маха и Рей-нольдса и в конечном итоге выявлением основных взаимосвязей внутренней структуры потока с аэродинамической эффективностью указанных сопряжений. В свете вышеизложенного и была сформулирована цель настоящей диссертации.

Целью работы является проведение систематических комплексных экспериментальных исследований структуры различных форм течений в угловых конфигурациях вплоть до получения полной информации о поле течения; переосмысление существовавших представлений об основных свойствах исследуемых течений; получение новой информации, которая полностью отсутствует или ощущается ее нехватка для разных типов течений и, наконец, непосредственное использование результатов исследований для определения рациональной формы сопряжения аэродинамических элементов типа крыло-фюзеляж.

Методика исследований. Приведенные в работе экспериментальные

данные были получены на аэродинамических трубах Т-324 и Т-313 ИТПМ СО РАН. В процессе исследований использовались разнообразные методы и средства диагностики течения как хорошо освоенные, так и специально развитые в работе. Преимущественно применялись тер-моанемометрические, пневмометрические, "весовые", оптические и визуализационные методы измерений. Ряд методов, в частности, тер-моанемометрический, оптический, "весовой", используемые в работе, получили в ней дальнейшее развитие. Проведение широкого спектра методических исследований и выполнение тестовых экспериментов в контрольных областях течений с анализом систематических и случайных погрешностей измерений основных параметров потока способствовали получению достоверной экспериментальной информации и явились свидетельством надежности принятой методики эксперимента.

Научная новизна работы. Представленные в диссертации результаты систематических экспериментальных исследований структуры пространственного несжимаемого и сжимаемого пристенных течений в продольно обтекаемых угловых конфигурациях в широком диапазоне варьируемых условий по существу являются уникальными, не имеющими аналогов в отечественных и зарубежных исследованиях на момент их публикации. В частности, комплексный подход к изучению таких течений впервые позволил выявить и объяснить определяющую роль в процессе формирования структуры течения плавного сопряжения пересекающихся поверхностей двугранного угла, в результате чего определены условия вырождения пространственного сдвигового потока. То же относится к экспериментальным исследованиям в условиях варьируемых значений параметра несимметрии течения и геометрии передней кромки угла.Полученные при этом экспериментальные данные дали возможность понять механизм трансформации вторичных течений по длине области взаимодействия несимметрично развивающихся пограничных слоев, который состоит в том, что одаовихревая структура течения в окрестности передней кромки модели постепенно переходит в двухвихревую по мере удаления от нее.

На основе детальной информации о распределении осредненных параметров течения, параметров турбулентности, пространственного вектора скорости удалось в значительной степени уточнить и конкретизировать структуру сдвигового потока в ламинарно-турбулентной области угла.При этом получена схема трансформации вторичных течений по длине области перехода, позволяющая понять механизм изменения направления таких потоков при переходе от ламинарной формы

течения к турбулентной.

Новой является и значительная часть результатов экспериментального исследования неравновесного (по Клаузеру) сдвигового потока позади двумерного источника возмущений в виде поперечно обтекаемого кругового цилиндра, установленного в развитом турбулентном пограничном слое ДУ, включая двумерную область течения. Полученные здесь данные позволили установить ряд важных свойств и закономерностей развития неравновесного потока позади источника возмущений, показать эффект усиления наследственных признаков течения вблизи ребра угла в сравнении с двумерной областью и определить доминирующие механизмы, ответственные за ослабление темпа релаксации потока в этом случае.

Шервые на основе комплексного подхода, предусматривавшего как физические исследования, так и прямые измерения с помощью специально созданной методики решена важная практическая задача, связанная с определением рациональной, с точки зрения минимального аэродинамического лобового сопротивления, формы сопряжения крыла и фюзеляжа схематизированной модели самолета.

В рамках диссертации впервые проведены экспериментальные исследования структуры сжимаемого пространственного турбулентного сдвигового потока в угловой конфигурации в условиях его взаимодействия с падающим извне косым скачком уплотнения варьируемой интенсивности и без него. Полученные данные позволили установить ряд особенностей структуры исследуемого течения, в частности, формирование отчетливо выраженного отрыва потока, локальных областей •рециркуляционного и вихревого движений. Обнаружено качественное сходство отдельных этапов развития такого потока с другими типами течений и тем самым показана возможность его описания в рамках хорошо известных подходов.

Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации результаты столь обширны и систематичны, что могут составить основу банка данных аэрофизических характеристик сдвиговых течений в областях сопряжений пересекающихся поверхностей и совокупность которых представляет собой крупный экспериментальный базис для апробации развиваемых теоретических моделей и построения новых, а также для сопоставления последующих экспериментальных данных и обоснования их достоверности. Выполненные исследования позволили выявить все разнообразие реализующихся в таких конфигурациях форм течений, обусловленных наличием сжимаемости, существенной

неравновесности потока, градиента давления, кривизны и плавного сопряжения пересекающихся поверхностей, ламинарно-турбулентного перехода.Все это дало возможность изучить принципиальные свойства таких течений, что имеет большое значение в вопросах создания эффективных методов расчета этого сложного класса турбулентных течений, в том числе неравновесных.

С практической точки зрения повышенный интерес представляют экспериментальные результаты, позволившие определить рациональную форму сопряжения крыла и фюзеляжа схематизированной модели самолета и, как следствие, снизить аэродинамическое лобовое сопротивление в сравнении с исходной конфигурацией и которые могут быть непосредственно использованы в авиационных КБ на этапе разработки элементов сопряжений летательных аппаратов. Автор защищает:

- результаты систематических экспериментальных исследований структуры различных форм пространственных течений в угловых конфигурациях в широком диапазоне условий обтекания и варьируемых параметров;

- результаты экспериментальных исследований структуры существенно неравновесного турбулентного сдвигового потока в угловой конфигурации (включая двумерную область течения) в следе за источником возмущений в виде поперечно обтекаемого кругового цилиндра варьируемого диаметра;

- полученные на основе физических представлений и подтвержденные прямыми исследованиями экспериментальные данные, связанные с определением рациональной формы сопряжения крыла и фюзеляжа модели самолетной конфигурации.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались: на Всесоюзной конференции "Современные проблемы аэрогидродинамики" (Иссык-Куль, 1980), на У Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981), на 1У Национальном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Варна, 1981), на Международной конференции по математическим методам в механике жидкости (Обервольфах, 1981), на Международной конференции по моделям турбулентности и их применению в технике (Вютенберг, 1982), на 1-ой Международной конференции социалистических стран по механике (Прага, 1987), на Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1985), на 1У, У Всесоюзной школах и У1 Международной конференции по ме-

тодам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1986; Абакан,1989; Новосибирск, 1992), на III Всесоюзной конференции по проблемам турбулентных течений(Донецк, 1986), на Международной конференции по механике жидкости (Пекин, 1987), на ХУП Международном семинаре по гидродинамике судна (Варна, 1988), на Международном коллоквиуме Европейской организации механиков "Евромех 247" (Геттинген, 1989), на Всесоюзном семинаре "Отрывные и струйные течения" (Новосибирск, 1988), на Симпозиуме Международного союза по теоретической и прикладной механике по отрывным и струйным течениям (Новосибирск, 1990), на Международной конференции по экспериментальной механике жидкости (Чэнгду, 1991), на Рабочем совещании по созданию Международного аэродинамического центра (Новосибирск, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы. Основные результаты достаточно полно изложены в [I- 34].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Основная часть работы содержит 277 страниц машинописного текста и 203 рисунка. В конце каждой главы сформулированы основные результаты. Библиографический список включает 246 наименований литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дан краткий обзор состояния дел в области исследования проблемы взаимодействия пограничных слоев в областях сопряжений аэродинамических поверхностей. Перечислены основные аспекты проблемы, названы наиболее известные отечественные и зарубежные исследовательские группы, занимающиеся их разрешением. Кратко изложены наиболее слабо изученные вопросы проблемы, сформулирована тема диссертации и обоснована ее актуальность. Приведено краткое содержание основных глав работы, а также перечень результатов, вынесенных автором на защиту, обосновывается достоверность и новизна полученных научных результатов.

Каждая глава начинается с изложения состояния проблемы, анализа слабо изученных вопросов и формулировки конкретной задачи. Последующие их разделы посвящены описанию используемых моделей, измерительного оборудования и условий эксперимента. Специфические особенности исследуемого класса течений потребовали тщательной отработки методики испытаний. В этой связи большое мес-

то в каждой главе отведено результатам исследований в контрольных областях течений, проведению многократных измерений и анализу систематических и случайных погрешностей определения основных характеристик сдвигового потока с целью обоснования принятых методик.

В процессе исследований в зависимости от целей и задач использовался широкий спектр различных экспериментальных методов: пнеБиометрических (на основе миниатюрных пневмонасадков полного давления, зондов статического давления, двух- и трехканальных скосомеров, трубок Пито-Прандтля, трубок Престона); термоанемо-метрических (на основе одаониточных и двухниточных миниатюрных датчиков с Волластоновой нитью различного функционального назначения и комлекса аппаратуры фирмы □ IБ А); оптических (на основе лазерной интерзферометрии, а также метода "лазерного ножа"); "весового" (на базе специально созданных внемодельных тензовесов с кремниевыми тензорезисторами, обеспечивающих повышенную чувствительность к нагрузкам); визуализационных (на основе сублимирующихся покрытий и цветной масляной пленки) и других.

Результаты, приведенные в первых четырех главах, получены в диапазоне скоростей набегающего потокаи^ (3 -73)м/с, что соответствует числам РейнольдсаИе1 = (0,2 -4,1)• 10^ м"1. Результаты, представленные в пятой главе, в целом охватывают числа Маха М^ = 2,- 3, 4 и РбИнольдсаЯе^Сб -54 )-Юб м"1.

В первой главе представлены результаты экспериментальных исследований структуры несжимаемого пристенного турбулентного течения в неограниченных плоских продольно обтекаемых угловых конфигурациях.

Несмотря на то, что первые попытки исследований турбулентных сдвиговых течений в угловых зонах, предпринимались еще в конце прошлого столетия (в открытых прямоугольных водяных каналах и лотках), к середине семидесятых годов отсутствовали надежные экспериментальные данные о структуре даже сравнительно простых форм таких течений. Не случайно Брэдшоу (1987) обращает внимание на то, что дальнейшее совершенствование методов расчета этого сложного класса течений имеет серьезное ограничение, обусловленное отсутствием должного физического понимания, отражающего связь между осредленными характеристиками таких течений и параметрами турбулентности. Этот существенный пробел восполнен экспериментами, результаты которых анализируются сначала на уровне локаль-

ных и интегральных параметров пристенного течения в угловых конфигурациях (§1.3 -1.5), а в последующих разделах главы на уровне связей с характеристиками турбулентности. В частности, выполненные в широком диапазоне чиселР?ехисследования, показывают, что вследствие взаимодействия пограничных слоев, толщины вытеснения б* и потери импульса б в биссекторной плоскости угла примерно вдвое превышают соответствующие значения в двумерной области течения. Получена простая обобщающая зависимость:

описывающая характер развития пограничного слоя по длине ДУ при безградиентном обтекании. (ЗдесьОвн-толщина пограничного слоя вне области взаимодействия, в которой, как показано, течение имеет строго двумерный характер и с точки зрения осредненных параметров потока, и турбулентности).

Приведены подробные данные о распределении параметров пристенного течения в самой области взаимодействия. Установлено, что профили скорости в указанной области могут быть аппроксимированы либо зависимостью типа закона стенки, но с отличающимися от течения на плоской пластине коэффициентами, либо степенным законом, где показатель степени существенно меняется в направлении размаха ДУ, но не зависит в исследованных условиях от числа Rex. Анализируются также другие характеристики исследуемого' течения. Показано, что местный коэффициент поверхностного трения в поперечном сечении ДУ, изменяется от практически нулевого значения в окрестности ребра угла до соответствующего значения на плоской пластине вдали от него.

В практических ситуациях важно располагать количественной информацией о протяженности h пространственной области в направлении размаха У или Z ДУ. Эта величина определялась по распределению линий равных скоростей (изотах) U/Ue= consto , показанных на рис.I для одной половины поперечного сечения ДУ (вследствие симметрии).Видно, что в исследованном диапазоне чиселRex, значение h меняется примерно в пределах от 2 до 4 6ВН . Предложена несложная зависимость:

которой можно пользоваться для определения размеров пространственной области течения даже при сверхзвуковой скорости потока. Тем самым демонстрируется важность моделирования таких течений по числам Рейнольдса, в то время как роль числа Маха является

второстепенной.

В §1.6 диссертации приведены результаты исследований структуры пристенного течения в симметричном ДУ при наличии плавного сопряжения между пересекающимися поверхностями в виде дуги окружности радиуса R . На основе подробных данных о распределении полей скорости и турбулентности, касательных напряжений и вторичных потоков анализируется динамика развития пространственного течения по мере увеличения радиуса сопряжения R Полученные данные свидетельствуют о том, что npHR/8Bff 6 (илиЯ/бвдЗО) вторичные течения в ДУ полностью вырождаются, в результате чего пространственное течение переходит в состояние близкое к двумерному (рис.2, стр.31).

§1.7 диссертации целиком посвящен изучению влияния продольного градиента давления dCp/QX на структуру турбулентного сдвигового течения в симметричном ДУ в условиях доотрывного состояния пограничного слоя. На рис.3 (стр.30) представлен фрагмент, иллюстрирующий распределение изотах U/U^ const в поперечном сечении ДУ при разных значенияхйСр/йХ .Эти, а также ряд других данных позволили установить, что увеличение dCp/dX , способствует усилению вихреобразования в окрестности биссекторной плоскости ДУ, возрастанию интегральных толщин пограничного слоя в 1,7 - 1,9 раза, уменьшению Cf и расширению в 1,5 раза протяженности области взаимодействия h (рис.36).Показано, что эффект градиента давления описывается нелинейной функцией d.Cp/dX.

§1.8 диссертации посвящен анализу вторичных течений, которые в значительной степени определяют структуру пристенного течения в ДУ. Выполненный в этом разделе обзор литературных данных по этому вопросу дает основание утверждать, что пока еще нет даже единой точки зрения на природу возникновения таких течений, не говоря уже о разработке самой модели, позволяющей с достаточной степенью точности описывать хотя бы относительно простые случаи обтекания ДУ. К тому же количественная информация об этих течениях носит явно разрозненный характер, поскольку получена в самых различных геометрических ситуациях: гидролотках, каналах, трубах.

Некоторые из полученных результатов представлены на рис.4 (стр.31) в виде поля векторов скорости вторичного течения на фоне изолиний U/Ue .Показано, что при обтекании симметричного ДУ, эти течения представляют собой парный продольно развивающийся спиралевидный вихрь, расположенный симметрично относительно бис-

секторной плоскости угла. Центры вихрей в направлении разм, ДУ размещаются на расстоянии порядка (0,8 -0,9)0ВН . По вeJ вторичные течения невелики и составляют несколько проценто1 скорости невозмущенного потока. Хотя их роль в перераспред« энергии турбулентности незначительна, тем не менее, в завис ти от конкретной геометрии ДУ, они могут существенно измеш рактер течения в угловой конфигурации. Анализируется свя: ричных течений с поведением исследуемых характеристик сдвш потока. Специфика развития таких течений в той или иной сит^ рассматривается в соответствующих разделах диссертации.

Известно, что для корректного описания важнейших физичес явлений в сложных турбулентных течениях, необходима информ; не только о поле осредненных скоростей, но и о распределеш компонент тензора напряжений Рейнольдса. В этой связи болы внимание в главе I уделяется развитию метода определения вс компонент тензора напряжений Рейнольдса и составляющих веет скорости с помощью миниатюрного поворачиваемого датчика те] мометра с единственной наклонной нитью (§1.9). Выполненные ках усовершенствованной методики исследования компонент скс и рейнольдсовых напряжений (рис.5) позволили выявить и обы ряд специфических свойств и особенностей структуры пристень турбулентности в ДУ, в частности: формирование отчетливо вг ной трехмерности течения; неоднородности распределения сре; параметров и анизотропности параметров турбулентности в пог ном сечении ДУ; явно выраженного асимптотического перехода теристик турбулентности к соответствующим значениям, свойст двумерному течению; наличие явной взаимосвязи и взаимовлиян перечных градиентов напряжений Рейнольдса и индуцируемых га ричных течений. Полученные данные послужили основой для опр ния длины пути смешения в двумерной и пространственной обла течения ДУ(§1.П), которая в рамках концепции локального рз сия пригодна для моделирования структуры турбулентности в н ниченных симметричных угловых конфигурациях.

Значительное место (§1.10) отведено результатам исследоЕ структуры течения в несимметричных угловых конфигурациях в виях варьируемой геометрии передней кромки ДУ и параметра н метрии течения, характеризующего соотношение ВБ/6А между т нами взаимодействующих пограничных слоев, развивающихся на ных гранях ДУ. Установлено, что по мере увеличения 0Б/8А

ледованном диапазоне значений, имеет место тенденция к постепенному свертыванию вихря А и уменьшению его интенсивности и, наоборот охвату все больших областей пограничного слоя вихрем Б. Тем не менее во всех случаях структура течения сохраняется двухвихре-вой. Показана динамика перехода такого несимметричного течения к симметричному случаю.

Удалось обнаружить принципиально важную роль в этом процессе геометрии передней кромки ДУ, характеризующейся соотношением Va между малой и большой осями полуэллипса. Детальные исследования полей изотах, продольной компоненты завихренности и турбулентности, а также полей векторов скорости пространственного течения в условиях варьируемой формы передней кромки (рис.6а,б,в) позволили понять механизм зарождения и последующего развития реализующихся здесь вторичных течений. Суть его состоит в том, что при обтекании несимметричной угловой конфигурации, формируются вторичные течения двоякой природы. Визуализация предельных линий тока показывает, что непосредственно в окрестности передней кромки грани А в месте ее сопряжения с гранью Б реализуется пространственный отрыв. Оторвавшийся поток скручивается в форме вихря и распространяется по длине модели с направлением вращения у стенки от линии сопряжения граней и далее по размаху Z угла (рис.бг). Такие течения в соответствии с классификацией Прандтля называются вторичными течениями 1-го рода. По мере удаления вниз по потоку указанные течения плавно релаксируют под действием сил вязкости. В то же время на определенном расстоянии X , когда процесс взаимодействия пограничных слоев усиливается, градиенты напряжений Рейнольдса становятся такими, что они в состоянии вызвать течение противоположного знака (вторичное течение 2-го рода по Прандтлго). Таким образом, по мере удаления вниз по потоку одновихревая структура течения, являющаяся следствием формирования пространственного отрыва в окрестности передней кромки, постепенно трансформируется в двухвихревую, механизм образования которой в значительной степени определяется напряжениями Рейнольдса. Установлено, что при увеличении "крутизны" передней кромки (Ь/а возрастает) интенсивность вторичных течений 1-го рода увеличивается в исследованных условиях примерно вдвое. В этом случае их роль в процессе формирования структуры сдвигового потока становится преобладающей. Тем самым показана некорректность бытовавшего мнения (Брэдшоу, 1981), что в таких конфигурациях развиваются лишь вторичные течения 1-го рода.

Выполненные к настоящему времени исследования, посвященные проблеме взаимодействия пограничных слоев в угловых зонах, относятся в основном к каналам некруглого поперечного сечения, где возможно влияние отмеченных зон друг на друга. По этой причине остается неясным вопрос о том, в какой степени результаты подобных исследований можно использовать для анализа течения в неограниченном ДУ. Эта проблема имеет прямое отношение к проектированию аэродинамических труб, в частности, на этапе учета на качество потока в рабочей части тех особенностей, которые имеют место в областях стыка двух плоских стенок. В этой связи экспериментально изучены особенности взаимодействия и продольного развития пространственных турбулентных сдвиговых течений, формирующихся в двух соседних угловых зонах прямоугольного полуканала (§1.12). Определены условия смыкания угловых зон и сформулированы соответствующие требования по выбору минимальных поперечных размеров рабочих частей аэродинамических труб. Установлено, что указанные размеры должны быть не менее 7 6ВН.

В §1.13 представлены подробные экспериментальные данные о структуре сдвигового потока в ДУ при наличии ламинарно-турбулентного перехода. Показано, что в ламинарной области (Х£223мм)(рис.7) имеют место лишь восходящие потоки, которые направлены вдоль бис-секторной плоскости угла в сторону внешнего потока, и которые развиваются главным образом под воздействием локального положительного градиента давления в окрестности передних кромок. Данное обстоятельство на протяжении весьма долгого времени являлось причиной дискуссий о существенном отличии экспериментальных и расчетных данных для такого случая течения. Специально принятые автором меры для сведения к минимальной величине указанного градиента давления, обнаружили полную идентичность с результатами численного расчета Гхиа. Таким образом, была установлена истинная роль в этом процессе градиента давления. По мере перехода к турбулентному состоянию интенсивность указанных течений плавно ослабевает до уровня близкого к характерному значению для двумерного течения. Приводится анализ количественной информации о протяженности области релаксации таких вторичных течений, инициированных передней кромкой ДУ.

В то же время в пристенной части пограничного слоя (223мм X £

389мм) начинают формироваться нисходящие потоки, свидетельствующие о зарождении вихрей противоположного направления вращения. Ниже по потоку (Х^ 890мм) имеют место лишь вторичные течения к уг-

ловой линии, свойственные турбулентной форме движения в ДУ. Таким образом, приведенные в этом параграфе данные позволили понять механизм трансформации (изменения направления) вторичных потоков при переходе течения к условиям развитой турбулентности.

Вторая глава посвящена исследованию сложных турбулентных течений, реализующихся в областях сопряжений не плоских, а криволинейных в продольном направлении поверхностей. Интерес к данному типу течений вызван прежде всего тем обстоятельством, что большинство результатов, в той или иной степени имеющих отношение к предмету настоящей работы, получено в поворотных каналах. К тому же важная область сдвигового потока, обусловленная взаимодействием пограничных слоев иа стыке выпуклой или вогнутой стенки с плоской, осталась вне поля зрения исследователей.

В качестве объекта исследования использовалось несколько моделей ДУ, образованных пересечением под прямым углом плоской и выпуклой или вогнутой цилиндрической поверхности варьируемой кривизны 13 , которая соответствует числам Ричардсона = изменяющимися в пределах ±0,07, где -координата по радиусу кривизны стенки.При этом приняты специальные меры, чтобы избежать влияния на структуру течения вторичных явлений, обусловленных продольным градиентом давления и краевыми эффектами, как правило, имеющими место в каналах и тем самым выделить лишь влияние центробежной силы (§2.1).

В §2.2 дается подробное описание методики эксперимента, и на основании результатов многократных измерений анализируемых параметров сдвигового течения приведены погрешности определения средней скорости, интегральных характеристик, интенсивности пульсаций скорости, коэффициента поверхностного трения. Представлены результаты методических исследований, направленных на обоснование принятой методики. Показано, в частности, наличие равновесия между центробежной силой и поперечным градиентом давления (с учетом турбулентности) на криволинейной поверхности вне области взаимодействия, которое имеет следующий вид: _

ри2/я = !д/дрк)(р + ру'2).

На основе данных визуализации предельных линий тока и результатов измерений направления векторов скорости установлено, что на большей части криволинейной поверхности линии тока расположены практически параллельно плоскости стыка сопрягаемых граней. На плоской стенке поток "отслеживает" контур криволинейной поверхнос-

ти, разворачиваясь по направлению местной касательной даже на расстоянии Z по размаху ДУ порядка 10 -15 толщин пограничного слоя (§2.3).При этом обнаружена интересная особенность, которая состоит в том, что при изменении величины 8/R, коэффициент давления даже на плоской грани существенно меняется (вплоть до изменения знака), хотя в процессе эксперимента эта грань располагается под нулевым углом атаки (§2.4).Причина в том, что поле течения на'выпуклой (вогнутой) поверхности индуцирует пониженное (повышенное) давление, распространяющееся на всю смежную с ней плоскую грань. Поэтому распределение давления поперек последней полностью определяется кривизной неплоской стенки, ее знаком и расстоянием по нормали к криволинейной грани.

Для пристенного течения за пределами области взаимодействия (У или Z è(3 -4)8вн) показаны справедливость закона стенки(с обычными коффициентами)для внутренней области пограничного слоя, которая консервативна к смене знака кривизны, а также факт увеличения интенсивности следовой части профиля скорости при переходе от отрицательной кривизны к положительной (§2.5), обнаруженных в криволинейных каналах. Дан детальный анализ экспериментальных профилей скорости поперек ДУ аппроксимированных степенной формой U/Ue= = f[lfK/Ô)1,/1r>l>rfle -поперечная координата по нормали к стенке и соответствующим изотахам. Установлено, что показатель степени во внутренней части слоя вне области взаимодействия как на выпуклой, так и на вогнутой поверхностях практически одинаков и близок к значению 1/7, характерному для указанной области течения плоского ДУ. Это подтверждает факт консервативности пристенной части течения при изменении кривизны поверхности. Влияние же кривизны на внешнюю часть слоя очевидно. Оно состоит в том, что при одинаковом 8/ R , профиль скорости на вогнутой грани более наполненный, чем на выпуклой. Причем имеет место крайне неравномерное распределение показателя степени в профиле скорости поперек криволинейного ДУ, которое обусловлено вторичными течениями и центробежными силами. В исследованных условиях изменение1/п поперек ДУ в сравнении с плоским случаем составляет около 3 раз.

Показано, что пристенное течение на неплоской грани вне области взаимодействия, близко по своим свойствам к течению на изолированной криволинейной стенке и единственным в сравнении с плоской пластиной, дополнительным механизмом воздействия на структуру потока является центробежная сила. По этой причине изменение основ-

ных параметров течения, в частности, касательного напряжения (§2.6), нарастания пограничного слоя по длине угла (§2.5) при изменении величины и знака кривизны не содержит ничего неожиданного и следует классическим представлениям о такого рода течениях. В самой области взаимодействия обнаружен существенно немонотонный в сравнении с плоским ДУ характер распределения С f и других параметров течения, обусловленный указанными выше причинами, и который необходимо учитывать при построении методов расчета этого класса течений.

§2.7 диссертации посвящен анализу полей скорости U/U00= const и интегральной интенсивности пульсаций скоростиуСРУц^const в поперечном сечении ДУ в условиях отличающейся по величине и знаку кривизны стенки. Пример таких данных приведен на рис.8 для комбинации с выпуклой поверхностью. Показано, что как и в плоской угловой конфигурации, здесь формируется отчетливо выраженная пространственная область течения, протяженность которой в направлении размаха угла составляет(3 -4)6ВН . На основе характерной деформации изолиний U/14, и рассматривается роль кривизны стенки в про-

цессе формирования структуры течения, в частности, в реализующихся здесь вторичных потоках. Установлено, что при обтекании комбинации с выпуклой стенкой, центробежная сила, направленная по радиусу кривизны от стенки, т.е. параллельно плоской грани, усиливает восходящие потоки вихря, что приводит к дополнительному искажению контура изолиний. Напротив, при наличии вогнутой стенки центробежная сила, направленная в противоположную сторону, усиливает нисходящие потоки вихря.

На основе сравнительного анализа профилей интегральной интенсивности пульсаций скорости в условиях отличающейся по знаку кривизны стенки показан факт подавления турбулентности по всей высоте пограничного слоя выпуклой стенки и соответствующее ее усиление на вог-тутой поверхности, в том числе в самой области взаимодействия. В количественном виде это составляет более 10$ от максимально измеряемой величины.

Изучены особенности формирования вторичных течений в условиях варьируемой кривизны пересекающихся поверхностей (§2.8).Установлено, что вторичные течения, представляющие собой пару несимметричных продольно развивающихся вихрей (рис.9), реализуются даже в условиях воздействия центробежной силы и того, и другого знака. Влияние последней сводится преимущественно к смещению положения вих-

рей в поперечном сечении ДУ в соответствии с изменением знака кривизны.

В третьей главе рассматриваются релаксационные свойства несжимаемого неравновесного (по Клаузеру) турбулентного сдвигового потока в угловой конфигурации, включая двумерную область течения. Потребность в проведении подобных исследований продиктована следующим соображением. Решение ряда практических задач, связанных, в частности, с разработкой оптимальных конструкций каналов теплообменников и других устройств, содержащих элементы двугранных углов, требует настоятельной необходимости изучения гидродинамической и тепловой структуры течения за различного рода неровностями, выступами и препятствиями, широко встречающимися в таких устройствах. При этом построение эффективных методов расчета неравновесных течений ниже указанных препятствий затруднено отсутствием новых релаксационных связей между напряжением трения и полем осред-ненных скоростей.

В качестве источника возмущений использовался поперечно обтекаемый круговой цилиндр, который устанавливался по размаху ДУ на раз-различной высоте от поверхности, изменяющейся в пределах У0= Уо/0 = 0,094 -0,94 (60 -толщина пограничного слоя в месте расположения цилиндра). Относительный диаметр цилиндра варьировался в пределах б = 0/бо = 0,113 -0,388.

В §3.2.1 излагаются вопросы методики эксперимента, связанные, в частности, с измерением турбулентных касательных напряжений и'V', поверхностного трения С^ , турбулентной вязкости У^ , интегральных характеристик пограничного слоя, параметра неравновесности Клаузе-ра С , а также приводятся результаты целого ряда тестовых исследований. Выполненные на базе данной методики эксперименты позволили на первой стадии исследований определить протяженность неравновесной области течения Хр , обусловленной передней кромкой модели и тем самым найти положение источника возмущений по длине ДУ.

В последующих разделах анализируется процесс сложной эволюции важнейших параметров двумерного сдвигового потока за источником возмущений варьируемого диаметра по мере удаления от него вниз по течению (§3.2.3). Выполнено тщательное сравнение с соответствующими данными для условий равновесия и показан существенно неравновесный характер течения, определяемый главным образом диаметром цилиндра и его положением по высоте пограничного слоя (рис.Ю). Дано подробное объяснение поведения анализируемых параметров в характер-

ных областях течения. Определена протяженность неравновесной об.-ласти течения Ц , которая увеличивается при удалении цилиндра от стенки и достигает в исследованном диапазоне О значений порядка 600 й(рис.II). Тем самым подтверждено, что роль наследственных признаков во внешней области сдвигового течения существенно выше в сравнении с пристенной областью, которая сохраняет консервативность к возмущениям.

Детальные исследования профилей скорости, турбулентности и профилей вектора скорости в среднем в 14 поперечных сечениях вниз по потоку от источника возмущений позволили представить схематизированную картину течения в окрестности поперечно обтекаемого цилиндра, которал на рис.12 приведена для случая его расположения непосредственно на поверхности (§3.2.5). При этом выделены основные этапы развития и характерные зоны течения по длине неравновесной области. Определены примерные границы их существования и дан подробный анализ свойств течения на каждом из этапов, начиная со стадии отрыва потока и кончая равновесной областью, где характер течения аналогичен невозмущенной области (§3.2.6, 3.2.7). Показано, что вниз по потоку от цилиндра происходят сложные процессы массопере-носа, взаимосвязанные как между собой, так и с начальной интенсивностью возмущений, обусловленной положением и размерами источника возмущений.

Показано, что в отличие от случая равновесного состояния, локальная двухслойная модель Прандтля-Клаузера, основанная на гипотезе Буссинеска, неудовлетворительно предсказывает распределение турбулентных касательных напряжений и'V'по длине релаксационной области (§3.2.7). Разница между расчетными и экспериментальными значениями достигает 30 -ЪО.% в зависимости от относительной величины У/8 . Изучена возможность использования для расчета неравновесных течений в следе за цилиндром релаксационного уравнения Хинце--Лойцянского ■ ___ ___

ц^ди'у/дх) + С^Ш/Ьу) + и'у'= -Ч(би/бу)

путем учета в нем памяти (предыстории) потока на двумерное возмущение. С этой целью получено и подтверждено существование простой зависимости для длины релаксации & форме 1_х = аДХ , где а =0,4 и показана ее эффективность в расчетах двумерного существенно неравновесного течения в ДУ. Справедливость такого подхода подтверждает рис.13, который свидетельствует о хорошем согласии расчетных и экспериментальных значений (/У по длине релаксационной области. Суще-

ствование указанной линейной зависимости для оказалось возможным, благодаря наличию при разных ДХ/Э связи в форме У1Л)е0=|(У/б).

Вторая часть главы посвящена изучению структуры несжимаемого неравновесного сдвигового потока за поперечно обтекаемым цилиндром в пространственной области течения ДУ. Представлена топология течения на поверхности в окрестности цилиндра, свидетельствующая об образовании сложной структуры течения, характеризующейся отрывом потока с формированием первичной и слабых признаков вторичной линий стенания и растекания потока, рециркуляционной области и локальных зон нестационарного движения (рис.14). На основе данных о распределении давления и других параметров течения показаны особенности асимптотического перехода потока к двумерному течению вдали от ребра ДУ. Обнаружено, что при прочих равных условиях протяженность возмущенной области впереди цилиндра примерно в 1,5 раза выше, чем для двумерного случая (§3.3.2).

Приведены подробные данные об эволюции пространственного неравновесного течения за источником возмущений к своему равновесному состоянию, в том числе о развитии пограничного слоя (§3.3.3), распределении средней скорости и интегральной интенсивности пульсаций скорости (§3.3.4). Показано, что в целом поведение анализируемых характеристик обнаруживает определенную общность с двумерным течением, однако имеет место более существенное искажение потока в следе за источником возмущений.

Используя обнаруженную корреляцию между распределением параметра б и формпараыетра пограничного слоя Н , определена протяженность неравновесной области теченияАХрЛЗв ДУ (рис.15). Установлено, что эта величина в 1,5 раза превышает соответствующее значение в двумерной области. На основе подробных данных о распределении полей изотах, профилей вектора скорости и изолиний интегральной интенсивности пульсаций скорости, пример которых приведен на рис. 16, выявлены причины этого факта. Суть его состоит в следующем. При обтекании источника возмущений имеет место процесс ослабления (или даже полного разрушения), а ниже по потоку повторного формирования вторичных течений, представляющих собой типичные стационарные вихри, свойственные движению в ДУ. Именно эти вихри, являющиеся основными носителями информации о возмущениях, и способствуют увеличению памяти сдвигового потока в ДУ. Вопрос лишь в том, в какой мере эти вихри подавлены при обтекании источника возмущений и как быстро начинается процеес их повторного формирования.

В четвертой главе в рамках комплексного подхода, предусматривающего как расширение и углубление физических представлений о структуре течения, так и изучение суммарных аэродинамических характеристик, приведены результаты экспериментальных исследований пространственного несжимаемого турбулентного течения в области сопряжения крыла и фюзеляжа схематизированной модели самолета.

Исследуемая модель представляла собой комбинацию трапециевидного в плане крыла с углом стреловидности 32,5? установленного в положение "низкоплан" на цилиндрическом фюзеляже удлинения 7,8.

Изложению основных результатов предшествовало обсуждение ряда вопросов методического характера. В частности, большое внимание уделялось моделированию одного из наиболее важных, хотя и условных параметров, который характеризует соотношение между толщинами пограничных слоев крыла и фюзеляжа 6к/бф. Он был подобран близким к соответствующему значению, имеющему место в летных условиях(§421 В §4.3 представлены подробные данные о распределении поверхностного давления в области сопряжения крыла и фюзеляжа, а также впереди и сзади этой области. Показано, что практически на всей поверхности крыла имеет место существенно градиентный характер течения, который индуцирует крайне неравномерное распределение давления на фюзеляже преимущественно в зоне расположения крыла (рис.17)(§4.3). Это влияние распространяется вплоть до верхней образующей фюзеляжа. Детальные измерения полей скорости и турбулентности, а также данные визуализации предельных линий тока (§4.5) позволили установить существование в окрестности линии сопряжения крыла и фюзеляжа пространственной области течения протяженностью (4-5)6 (рис. 18а), характеризующейся наличием локальных зон отрыва и нестационарности потока, а также формированием продольно развивающихся вихрей, главные из которых схематично изображены на рис.19. Показан принципиально отличный механизм образования Каждого из вихрей. Один из них вызван формированием пространственного отрыва в прикорневой области крыла перед его сопряжением с фюзеляжем, скручиванием и распространением его вниз по потоку в форме спиралевидного вихря, а другой -взаимодействием пограничных слоев крыла и фюзеляжа. Физические представления о природе таких вихреобразований позволили рекомендовать способ направленного воздействия на структуру течения с целью устранения негативных явлений типа отрыва и нестационарности потока. Показано, что аэродинамические элементы в виде наплывов в прикорневой области крыла (передний) и со сторо-

ны его задней кромки (задний), а также зализа между крылом и фюзеляжем могут служить эффективным средством подавления Еихреобразования, других отмеченных выше явлений (§4.6, 4.7). Обоснованность такого подхода продемонстрирована на рис.186 на примере использования переднего наплыва. Полученные таким образом физические представления о структуре течения позволили установить наиболее приемлемый вариант сопряжения крыла и фюзеляжа.

В условиях существования небольших аэродинамических нагрузок разработана эффективная методика, обеспечивающая получение точных количественных данных об изменении лобового сопротивления исследуемого варианта сопряжения, позволяющая вносить необходимые конструктивные изменения в исходную конфигурацию без съема модели в процессе экспериментов с подвесных устройств (§4.8.1). Полученные в разных сериях экспериментов результаты (в ряде случаев с интервалом в I год) для одной и .той ®е комбинации модели согласуются между собой с погрешностью 6сх =0,2$ (рис.20).

Проведены многократные измерения лобового сопротивления комбинации крыло-фюзеляж с различными вариантами сопряжения и отличающимися друг от друга геометрическими свойствами используемых аэродинамических элементов (§4.8.2). Полученные результаты полностью подтвердили выводы, сделанные на основе физических представлений о структуре течения и показали эффективность применения данных элементбв как средства снижения лобового сопротивления всей комбинации. Шявлено преимущественное влияние переднего наплыва и дано объяснение причин этого факта. Суть его в том, что роль отрыва в прикорневой области крыла, имеющего глобальный характер, более существенна в сравнении с чисто вязким эффектом - взаимодействием пограничных слоев крыла и фюзеляжа. На основе полученных результатов определен рациональный вариант сопряжения крыла и фюзеляжа схематизированной модели самолета, приведены основные соотношения, характеризующие его геометрию, и показано, что он обеспечивает уменьшение лобового сопротивления в сравнении с исходной конфигурацией примерно на 4% (§4.9). Рис.21, где 8ПН-угол установки переднего наплыва, подтверждает отмеченный факт.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию структуры сжимаемого пространственного течения в продольно обтекаемой угловой конфигурации в условиях взаимодействия турбулентного пограничного слоя с падающим извне косым скачком уплотнения варьируемой интенсивности ^ , а также при его отсутствии. Данная проблема

имеет важное значение для многих конфигураций, широко встречающихся в практических ситуациях, в частности, в местах сопряжений входных устройств коробчатых мотогондол.

В §5.1 дано описание измерительного оборудования, условий и методики эксперимента. Представлена схема исследуемой модели, которая конструктивно выполнена из двух независимых друг от друга устройств: собственно ДУ и генератора скачка уплотнения. Последний позволяет варьировать интенсивность косого скачка уплотнения, нормального к поверхности вертикальной грани и наклонного к горизонтальной изменением его угла наклона.

Показано, что при отсутствии скачка, распределение анализируемых параметров сдвигового потока (протяженности пространственной области в направлении размаха угла, характера развития пограничного слоя, в том числе в условиях варьируемого радиуса сопряжения между пересекающимися поверхностями, распределение изотах в поперечном сечении угла, поведение которых полностью определяется формирующимися вторичными течениями), свидетельствует о несомненной аналогии физической природы исследуемого пристенного течения и соответствующего несжимаемого сдвигового потока (§5.2). Получены обобщающие зависимости, описывающие поведение основных параметров течения и позволяющие прогнозировать их распределение в ДУ в диапазоне чисел М^, =2 -4.

Показано, что при наличии косого скачка уплотнения, характер течения в ДУ существенно усложняется (§5.3). Об этом, в частности, свидетельствуют газодинамические структурные схемы вязко-невязкого взаимодействия в угловой конфигурации при различной интенсивности скачка, которые выборочно представлены на рис.22. Данные получены на основе анализа картин предельных линий тока, фотографий "лазерного ножа" и распределения давления на поверхности. Установлено, что практически во всем исследованном 'диапазоне £ , на гранях ДУ реализуется развитый отрыв, характеризующийся возникновением первичных Б, , Я, и даже вторичных Б2 . линий отекания и растекания потока, а также области вихревого и рециркуляционово движений. Взаимодействие скачка с пограничным слоем вертикальной грани угла приводит к отрыву последнего с формированием характерной Л -конфигурации волн у основания скачка. По мере удаления вниз по потоку Л -скачок охватывает все большую область течения, распространяясь на горизонтальную грань и, вызывая здесь локальный отрыв потока, который постепенно реализуется по всему размаху 2 угла.

Протяженность отрывной области возрастает по мере увеличения интенсивности скачка и при максимальном значении ^ достигает 308 . Обнаружено качественное и даже количественное сходство начального этапа развития течения на вертикальной грани, для которой падающий косой скачок является скользящим, в сравнении со случаем обтекания киля, установленного на плоской пластине.

Показано, что взаимодействие скачка уплотнения с трехмерным пограничным слоем ДУ, приводит к возникновению в окрестности ребра пространственного отрывного пузыря, протяженность которого в продольном и поперечном направлениях составляет соответственно около (40 - 45)6 и (2,5 - 4)6 .

Комплексный подход к изучению структуры такого течения, включающего также подробные данные о распределении давления на поверхности, позволил установить ряд других важных свойств данного типа взаимодействия. Показано, что наличие падающего скачка уплотнения нарушает конический характер течения по длине ДУ, отчетливо проявляющийся при отсутствии внешнего воздействия. В то же время характер взаимодействия пограничного слоя неодинаковой толщины со скачком уплотнения одной и той же интенсивности сохраняется принципиально неизменным.

ВЫВОДЫ

1. В работе впервые получены систематические экспериментальные данные о структуре различных форм пространственных пристенных несжимаемых и сжимаемых турбулентных течений в продольно обтекаемых угловых конфигурациях в широком диапазоне исследуемых условий и варьируемых параметров. Результаты исследований существенно расширяют и углубляют представления о свойствах таких течений и совокупность которых служит крупным базисом для апробации различных теоретических подходов и создания современных методов расчета, а также для непосредственного использования на этапе разработки элементов сопряжений летательных аппаратов.

2. В рамках единого комплексного подхода впервые детально изучено влияние целого ряда факторов, оказывающих определяющее влияние на формирование пристенного течения в угловой конфигурации: чисел Маха (N<30=0,02 -4) и Рейнольдса (1^,= (0,5 - 50) • Ю6 м*1), плавного сопряжения пересекающихся поверхностей, продольного градиента давления, неравновесности потока, кривизны пересекающихся поверностей,

несимметрии течения, ламинарно-турбулентного перехода, в условиях взаимодействия пространственных угловых зон. Показан механизм формирования реализующихся вторичных потоков как в условиях развитой турбулентности, так и по длине ламинарно-турбулентной области течения. Обнаружена, прямо и косвенно обоснована и объяснена принципиально важная роль в этом процессе геометрии передней кромки угла. Из условия смыкания двух взаимодействующих угловых зон установлено, что минимальные поперечные размеры проектируемых каналов должны быть, по крайней мере не менее 7ивн . Определены также условия вырождения пространственного течения в угле, которое при13/5зН - 30 переходит в двумерное состояние.

3. Изучен процесс сложной эволюции к состоянию гидродинамического равновесия характеристик существенно неравновесного (по Клаузеру) турбулентного сдвигового течения в угловой конфигурации позади двумерного источника возмущений в виде поперечно обтекаемого цилиндра. Выделены главные этапы развития течения по мере удаления от источника возмущений, определены границы их существования и выполнен детальный анализ релаксационных свойств течения в каждой

из характерных областей. Показано, в частности, что в двумерной области течения угла, протяженность неравновесной области достигает в продольном направлении 600 диаметров цилиндра в зависимости от положения последнего по высоте пограничного слоя. Подтверждена преобладающая роль наследственных признаков течения во внешней области по сравнению с пристенной, где сохраняется консервативность к вносимым возмущениям. Получена простая линейная зависимость для длины релаксации, являющейся эффективной в расчетах существенно неравновесного двумерного течения в угле при ее использовании в рамках уравнения Хинце- Лойцянского. Определены доминирующие механизмы, обуславливающие замедление теша релаксации сдвигового потока вблизи угловой линии. Основной из них заключается в повторном формировании продольно развивающихся вихрей.

4. На основе комплексного подхода исследовано несжимаемое турбулентное сдвиговое течение в области сопряжения крыла и фюзеляжа схематизированной модели самолета. Показано, что течение такого типа характеризуется сложной пространственной структурой с формированием продольно развивающихся вихрей, локальных зон отрыва и нестационарности потока. Шявлены причины возникновения отмеченных явлений и на основе полученных физических представлений определен эффективный способ направленного воздействия на структуру течения

с целью устранения негативных явлений типа отрыва потока путем использования аэродинамических элементов в виде наплывов, и зализа.

С помощью специально созданной методики впервые проведены детальные исследования аэродинамического лобового сопротивления комбинации крыло- фюзеляж с различными вариантами сопряжений, которые полностью подтвердили целесообразность использования указанных элементов как эффективного средства уменьшения сопротивления всей компоновки. Определен рациональный с точки зрения минимума сопротивления вариант сопряжения крыла и фюзеляжа схематизированной модели самолета, который обеспечивает снижение лобового сопротивления в сравнении с исходной конфигурацией примерно на 4%. 5. Получены новые экспериментальные данные о структуре сжимаемого пространственного турбулентного течения в угловой конфигурации в условиях взаимодействия пограничного слоя с падающим извне косым скачком уплотнения варьируемой интенсивности, а также при его отсутствии. Показано, что в последнем случае имеет место несомненная аналогия физической природы анализируемого пристенного течения и соответствующего несжимаемого сдвигового потока. Напротив, во всем исследованном диапазоне интенсивности скачка структура течения характеризуется принципиальными особенностями, обусловленными возникновением развитого отрыва с формированием А -конфигурации волн и первичных и даже вторичных линий стекания и растекания потока, областей вихревого и рециркуляционного движений. Определена протяженность характерных областей течения, выявлены физические свойства и особенности развития сдвигового потока в зависимости от интенсивности скачка уплотнения. Обнаружено качественное сходство отдельных этапов развития такого потока с другими типами течений, что дает возможность приближенного его описания в рамках хорошо известных подходов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1.Корнилов В.И., Харитонов A.M. О роли локального градиента давления в формировании течения в двугранном угле//Изв. АН СССР.

, Сер.,_ МЖГ. - 1982.- №2.

2.Kornilov V.l., Kharitonov A.M. Viscous spatial flows in corner configurations/Mathematical Methods in Fluid Mechanics.- Proceed, of a Conference Oberwolfach, Nov.29 -Dec.5, 1981. - 1982.

3.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Вязкое течение в угловых конфигу-рациях//Теоретична и приложна механика. Доклада 1У национ. конгр, Варна 14- 18 септ., 1981. - София. - 1981.

4.Грайхен К., Корнилов В.И. Распределение напряжений Рейнольдса при продольном обтекании двугранного угла//ПШФ. -1987. -№3.

5.Kornilov V.I., Kharitonov A.M. On turbulence structure of near-wall flow in a streamwise comer//Proceed. of the Intern. Conference on Fluid Mechanics, Beijing, 1987,- Beijing, 1987.

6.Корнилов В.И., Щеголев H.JI. Экспериментальное исследование развития пространственного течения в прямоугольном полуканале//Мате-риалы Всес. конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, март 1985г. -Новосибирск 1985.

7.Kornilov V.I., Mekler D.K., Kharitonov A.M. Interaction of

longitudinal vortices in transitional region of comer boundary layer//Colloquium on Vortex Plows. Euromech 247. Sinopsis of Contributions. - Univ. of Gôttingen, 1989.

8.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Развитие вторичных течений в двугранном угле в условиях ламинарно-турбулентного перехода//Сибир-ский физ. -техн. журнал. - 1992. - М.

Э.Корнилов В.И., Грайхен К. К вопросу о совершенствовании методики измерений напряжений Рейнольдса однониточным датчиком термо-анемометра//Материалы 1У Всес. Школы по методам аэрофизических исследований. - Новосибирск, 1987.

Ю.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Вязкие пространственные течения в углобых конфигурациях//Успехи механики. - 1984. -Т. 7. -Шп. I.

II.Kornilov V.I., Kharitonov A.M. Investigation of the structure of turbulent flows in asymmetrical corner configurations// Fluid Mechanics -Soviet Research. -1987. -V.I6. -N.6.

12.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Турбулентные течения в областях сопряжения аэродинамических поверхностей//Современные проблемы аэромеханики: Сб. научн. статей. - М.: Маш.- ние, 1987.

13.Корнилов В.И., Меклер Д.К. Исследование релаксационных свойств турбулентного пограничного слоя за двумерным источником. - Новосибирск, 1988. - (Препринт/АН СССР. Сиб. отд.-е. Ин.-т теор. и прикл. механики, №26).

I4.Kharitonov A.M., Kornilov V.I. Modern methods of near -wall flow measurements//Proceed. of the I?th Session Scientific and Methodological Seminar on Ship Hydrodynamics, Varna, 17 - 22.I0.Ï988. - Varna, 1988.

15.Корнилов В.И., Меклер Д.К. Релаксационные свойства турбулентного сдвигового течения за поперечно обтекаемым цилиндром в присутствии пластины//ПМТФ. - 1990; - №6.

16.Корнилов В. И. Развитие пространственного неравновесного пограничного слоя в двугранном угле за источником возмущений//Си-бирский физ. - техн. журнал. - 1992. - ЕЬш.5.

17.Корнилов В.И., Харитонов A.M., Грайхен К., Хоффмайстер М. О структуре развитых пристенных турбулентных течений в угловых конфигурациях//! конференция по механике, Прага, 29.06 -03.07. 1987г./Сб. докладов. -Прага -Братислава, 1987. -Т.9,

18.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Некоторые особенности пристенного течения в области сопряжения крыла и фюзеляжа//Уч. Зап. ЦАГИ.-1987. - Т. 18. -М.

19. Корнилов В. И. Особенности развития несжимаемого пристенного турбулентного течения в области сопряжения криволинейных по — верхностей//Изв. 00 АН СССР. Сер. техн. наук. -1990. -Еып.6.

20.Kornilov V.I., Kharitonov A.M. Investigation of the structure of turbulent flows in streamwise asymmetric comer configurations// Experiments in Fluids. - 1984. -V.2.

21.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Формирование пространственных пристенных течений в угловых конфигурациях//Моделирование в механике: Сб. научн. трудов. - Новосибирск, 1991.

22.Kornilov V.I., liekler D.K. Peculiarities of development of separated and relaxation phenomena behind a cylinder flowed about transversally in shear flow//Separated Plows and Jets: ШГАМ-Symposium, Novosibirsk, July 9 -13, 1990. -Spr.-Verlag, 199I.

23.Kornilov V.I., Pavlov A.A., Shpak S.I. On the techniques of skin friction measurement using optical method//Methods of Aerophysical Eesearch: Intern. Conference, Novosibirsk, aug.3I - sept.4, 1992. -Novosibirsk, 1992.

24.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Несимметричные течения в угловых конфигурациях//ЛМГФ. - 1983. - №2.

25.Корнилов В.И. Исследование пространственного течения в угловой конфигурации в условиях взаимодействия с вадающим косым скачком уплотнения. -Новосибирск, 1992. -(Препринт/РАН. Сиб. отд.-е. Ин. -т теор. и прикл. механики, №2).

26.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Экспериментальное исследование сжимаемого пограничного слоя вблизи линии пересечения двух пластин, образующих прямой угол//Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. - 1974. - №8, вып. 2.

27.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Взаимодействие пограничных слоев при продольном обтекании прямого двугранного угла. -Новосибирск,

1978. -(Препринт/АН СССР. Сиб. отд. -е. Ин, -т теор. и г механики, №11).

28.Корнилов В.И., Харитонов A.M. О-развитии поперечных тйче пограничном слое при продольном обтекании прямого двугра угла//ПМГФ. - 1979. - №1.

29.Kornilov V.l., Mekler D.K. Development of relaxation phi in the turbulent wall-flow behind two -dimensional souri Proceed, of Intern. Conference on Experimental Fluid Me< Chengdu, June 17 -21, 199I. - China, 199I.

30.Корнилов В.И. Экспериментальное исследование пристенного ния в области сопряжения крыла и фюэеляжа//Взаимодействи ных пространственных течений: Сб. научн. трудов. -Новгск

31.Корнилов В.И., Харитонов A.M. Взаимодействие турбулентны раничных слоев в прямом двугранном угле//ПМТФ. -1978.

32.Корнилов В. И., Меклер Д.К. Особенности развития неравнов турбулентного пограничного слоя за поперечно обтекаемым ром//Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. -1989. - Вып.6.

33. Корнилов В. И.- Структура пристенных течений в криволинейн] ловых конфигурациях//Сибирский физ.-техн. журнал. -I99I.•

34.Корнилов В. И., Меклер Д. К. Исследование памяти турбулент! пограничного слоя на двумерные возмущения.-Новосибирск, ! (Препринт/АН СССР. Сиб. отд.-е. Ин.-т теор. и прикл. мех,

GO

о

h/3.

TT

„i.,: .1 i

h/Stt)=k(CgRex)

нмиомсииО „ „ ;♦- tn».«««.^ u«'ra*73'"/c"

.♦— iMMtw». M. • 3 -»«*»т-цяиаи лигах nto¡«a » iiiuii'

-m

аз as

2 9 4 5 Puc.1

10 Rtjio"'

и^с 30 м/с

/- и/ит ■ 0£0 г- с. ?о

о.ао о. во аея

—-4

МЬ" К[Г^{т - еК^/сМ]"'

Л

—

->.* -/.г -С4 -ог о с5

■ Рис. 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИЭОТАХ В УСПОШЯХ ГРАДИЕНТНОГО 1ЕЧЕНИЯ

о 0.02

Ряс. 6 .Поле изотах и векторы скорости 0.01-1-1-1-1—-—i

вторичного течения о tu °-аЬ/а

Ôb/Ôa=2,3 : Rex=0.69-106, Rex=2.16-106(aAèb

Ôs/8a= 3.6 : ReXA= 0.22-106, Rex = 1,66-106 ( г ) и максимальное значение вектора скорости вторичного течения[5) U/Uœ : 1-0,5;2-07;3-0,8 ; А-0,9 ; 5- 0,95 ; 6 - 0,99

ПЛОСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

РАСПВДКШШ ВЕКТОРОВ СКОРОСТИ ПОПЕРЕЧНОГО ТЕЧЕНИЯ НА МОДЕЛИ (?6*т?И Х-1105 м

Рис.10 -ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРА НЕРАШЖСНОШ ПОЗАДИ ЦИЛИЩРА Э - 0,188. ЗНАЧЕНИЯ Уо<О-0,0944Д-С1188;?-С1377|«-С194 — ОСИДН. ДАННЫЕ ДЛЯ РАШОШСН. сосгоян.

0 200 400 600 ДХ/й

61 О»0Л77|Ув-й1« 099

09

______ (16

0 5 Ю 15 20 а &х/о

08 х

Рис.11 .протяшиость шравшшня) области течения

аНАЧШИЯО: 0,183(0); 0,377(»)

иг ^

ГГ тоюкпв тома ш хягаоск лш

оозда цкшид|>А

И1С.15.РАСШЕДЕ1ЕНЕ «ОРШАРШЕГРА

1ЮГРАЛИЧН0Г0 СВОЯ ШЗАЛИ ЦИЛИНДРА.

ЗНЛ^ЙЯО) *-02бЗ «-0,132 х- 0

т

и м зво щ дх/о

Рис.1 б .ИЗОЛИНИИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ПУЛЬСАЦИЯ СКОРОСТИ ПРИ Х=й2М

rtic21 .ОУММАРШЯ С!ШЕКИЯ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ

Рис.20.ВЛИЯНИЕ ПЕРВЦНЕГО НДШШЬА НА ЮЗШЦИЕНТ Сх ''0,Щ1И С ЗАЛИЭОН Г/6ц" З.ЗДНИМ ШИШИ 6/0-4 и ШЗДШ МОДШ ПРИ ОГСУТСТЕИИ ЗИ.11 ']I.'!ÏHM R/XIK= aíTT

Подписано к печати 15.01.1993г.

Усл.печ.л.2,0, Уч.изд.л.2,0 Тираж 100, Заказ № 5 Формат бумаги 60x84/16, Бесплатно

Отпечатано на ротапринте ИТПМ СО РАН 630090, Новосибирск, 90, Институтская, 4/1.