Термоанемометрия нестационарных процессов сжимаемых течений тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

£661 т г г

00 9 1 Л РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

УДК 533.6

На правах рукописи

Лебига Вадим Аксентьевич

ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ

СЖИМАЕМЫХ ТЕЧЕНИИ 01.02.05-механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск-1992

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.И.Букреев

доктор физико-математических наук В.Я.Левченко

доктор технических наук А.Ф.Поляков

Ведущая организация - Центральный аэрогидродинамический институт

им. проф. Н.Е.Жуковского

19

Защита состоится "¿У" 1993г. в _ часов на

заседании специализированного совета Д. 002.65.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте теплофизики СО РАН (630090, г.Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, I. Тел.35-14-64)•

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан "// /¡О^ 1993г•

Ученый секретарь специализированного совета доктор Физико-математических наук А

1\а \/ Р-Г.Шара$утдино]

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тепы. Влияние пульсационных процессов на характер обтекания тел потоком, на структуру самого потока велико - это и инициирование перехода от ламинарного течения к турбулентному, и изменение положения зоны отрыва потока, и влияние на аэродинамические характеристики профилей и многие другие явления. При этом роль пульсаций, Физическая природа их воздействия обычно менее изучена по сравнению с последствиями этого воздействия. Создание физических и математических моделей, расчетных методов требует наличия информации о структуре пульсаций. Этим объясняется большой интерес как к результатам исследований пульсаций с помощью известных методов, так и к разработке перспективных методов измерений.

При разработке и выборэ методов и средств измерений нестационарных процессов в высокоскорпстных сжимаемых потоках должны быть приняты во внимание многие обстоятельства - вид пульсаций, наличие одновременно нескольких типов пульсаций и, соответственно, совместное их влияние на чувствительный элемент, высокочастотный характер пульсаций, вносимые датчиками возмущения в поток, пространственная разрешающая способность и т.д.

До настоящего времени наиболее распространенным и универсальным методом измерения пульсаций остается термоанемометрический. При малых скоростях потока техника термоанемометрических измерений всесторонне и глубоко развита и в распоряжении исследователей имеется большой выбор датчиков (однониточных и многониточных, с расположенными под различными углами нитями, вращающиеся датчики и т.д.) , что позволяет выполнять сложные измерения пульсаций компонентов вектора скорости, их корреляций и т.д. При больших скоростях практическое использование термоанемометра сопровождается необходимостью решения ряда проблем.

Исследования по переходу к турбулентности в пограничном слое при сверхзвуковых скоростях, достигшие максимума в

70-80г.г., потребовали изучения структуры пульсаций в набегающем потоке, их взаимодействия с пограничным слоем (проблема восприимчивости) , усиления в ламинарном пограничном слое.

При больших дозвуковых скоростях проблема измерения пульсаций во многом обусловлена тем обстоятельством, что приближение к воспроизведению натурных чисел Рейнольдса и использование новых технологий в аэродинамическом эксперименте (криогенные аэродинамические трубы, адаптивные гибкие либо перфорированные стенки рабочих частей, магнитная подвеска моделей) повысило роль пульсаций в адекватности моделирования обтекания моделей во вязких сжимаемых дозвуковых потоках.

Цель работы заключалась в развитии методов термоанемометрии и их применении в области сжимаемых дозвуковых и сверхзвуковых течений, что включало создание удовлетворяющей соответствующим требованиям аппаратуры и методики ее использования, интерпретации результатов измерений, исследование пульсационных процессов в однородных и сдвиговых течениях.

Научная новизна. На время выполнения данной работы использование термоанемометра в сжимаемых потоках в стране было эпизодическим из-за отсутствия удовлетворяющей требованиям аппаратуры и необходимых для корректных измерений методик. За рубежом были получены немногочисленные данные с применением термоанемометра при сверхзвуковых скоростях благодаря работам Коважного, Морковина, Лауфера (США), Фавра, Гавильо (Франция) и др. Работы по разработке и применению термоанемометров при больших скоростях велись параллельно в ИТПМ СО АН СССР и в ЦАГИ им. проф. Н.Е.Жуковского. Попытки применения термоанемометра при трансзвуковых скоростях потока (Морковин, Хорстманн и Роуз, Нг, Стейнбек и др.) не принесли ощутимых положительных результатов.

Предложенные в работе принципы построения схем термоанемометров постоянного тока, защищенные авторскими свидетельствами, позволили создать серию новых термоанемометров, значительно превосходящих по частотному диапазону и допускаемым постоянным времени датчиков имеющиеся в стране приборы.

Получены новые результаты при анализе характеристик датчиков термоанемометра (коэффициентов чувствительности к различным

возмущениям, постоянных времени и т.д.) •

Впервые проведены детальные параметрические исследования характеристик пульсаций в сверхзвуковых аэродинамических трубах, за сотовыми соплами, турбулентности, создаваемой в сверхзвуковом потоке решетками.

Теоретически получены и экспериментально подтверждены соотношения, описывающие реакцию термоанемометра на акустические возмущения при дозвуковых скоростях потока. Новыми являются данные по измерению пульсаций, полученные с помощью термоанемометра в рабочих частях трансзвуковых аэродинамических труб, в том числе использование данных для отдельных участков спектра.

Новыми являются данные о характеристиках пульсаций в пограничных слоях при сверхзвуковых скоростях набегающего потока и данные по влиянию притупления передней кромки модели на структуру ламинарного пограничного слоя.

Впервые экспериментально показана определяющая роль спектрального состава возмущений по сравнению с их интенсивностью, и роль притупления передней кромки модели во влиянии единичного числа Рейнольдса на положение перехода к турбулентности в пограничном слое плоской пластины.

Впервые выполнен весь комплекс работ, включающий создание аппаратуры, ее использование, разработку методик, выполнение исследований нестационарных процессов в сжимаемых потоках газа.

Науэяая и практическая ценность. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, обеспечили проведение многих исследований пульсационных характеристик при сверхзвуковых и трансзвуковых скоростях потока -как с участием соискателя, так и другими исследователями.

Данные по структуре пульсаций в сверхзвуковых потоках необходимы при исследованиях роли начальных возмущений в процессе перехода от ламинарного течения к турбулентному в пограничном слое, при разработке малошумных аэродинамических труб, при реализации натурных чисел Рейнольдса, при разработке газодинамических лазеров, при управлении положением перехода на моделях и во многих других задачах.

Развитие методики экспериментального исследования

устойчивости ламинарного пограничного слоя обеспечило выполнение работ по развитию исскуственных возмущений в сдвиговых течениях.

Благодаря разработке теоретических основ интерпретации данных термоанемометрических измерений при больших дозвуковых скоростях появилась возможность широкого применения термоанемометра в сжимаемых дозвуковых потоках, особенно при изучении характеристик пульсаций в рабочих частях трансзвуковых аэродинамических труб, исследовании возможности подавления нежелательных возмущений, изучении их влияния на аэродинамические характеристики моделей.

Получен большой экспериментальный материал для верификации полуэмпирических методов расчета характеристик сложных сжимаемых турбулентных течений.

На защиту выносятся:

- исследования по усовершенствованию аппаратуры для термоанемометрических измерений;

методика определения чувствительности датчиков термоанемометра к различным возмущениям и методы интерпретации данных термоанемометрических измерений в сжимаемых потоках;

экспериментальные данные по структуре пульсаций в сверхзвуковом потоке, создаваемом соплом Лаваля, сотовыми соплами, за решетками из круглых стержней;

- методические вопросы исследования пульсаций в ламинарных и турбулентных пограничных слоях при сверхзвуковых скоростях потока, результаты экспериментальных исследований по влиянию отдельных факторов на развитие возмущений в ламинарном пограничном слое и переход к турбулентному режиму течения;

результаты исследования характеристик акустических пульсаций, создаваемых в трансзвуковом потоке источниками различного типа.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всесоюзных конференциях по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1979, 1986, 1989) , ХШ Симпозиуме по актуальным проблемам и методам в механике жидкостей и газов (Ольштин, Польша, 1977); всесоюзных конференциях по проблемам турбулентных течений (Жданов, 1977, 1983, 1986, 1988);

научно-технической конференции "ТеплоФизические измерения в решении актуальных задач современной науки и техники" (Киев, 1985); 4 международной конференции по измерениям турбулентности (Карл-Маркс- Штадт, ГДР, 1988); 13 конгрессе по методам измерений в аэрокосмических установках - 1С1АЗР'89 - (Геттинген, ФРГ,

1989); международном семинаре по проблемам моделирования в аэродинамических трубах (Новосибирск, 1988); международной конференции "Методы аэрофизических исследований" - 1СМАН'92 -(Новосибирск, 1992); всесоюзных семинарах "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики (Алушта, 1989, 1991); Второй межотраслевой научно-технической конференции "Проблемы газовой динамики двигателей и силовых установок" (Москва, ЦИАМ,

1990); ежегодной научной школе-семинаре ЦАГИ "Механика жидкости и газа" (Жуковский, 1991); международной конференции по адаптивным стенкам аэродинамических труб - 1СА1'91 (Сиань, Китай,1991); на научных семинарах Аризонского университета (Финикс, США); университета Олд Доминион (Норфолк, США); Вирджинского политехнического института и университета (Блэксбург, США).

Результаты, приведенные в диссертации, обсуждались также на семинарах ИТПМ "Аэродинамика больших скоростей", "Динамика вязкой жидкости и турбулентность", в ЦАГИ им. проф. ЕЕ.Жуковского и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе 45 печатных, среди них 2 авторских свидетельства. Основные результаты содержатся в работах /I - 32/.

Структура и объем. Диссертация состоит из Введения, 7 глав, Заключения, списка использованной литературы, приложений. Полный объем - 352 стр., в том числе 221 стр. машинописного текста, 131 стр. иллюстраций. Список литературы включает 265 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение включает обоснование актуальности темы исследований, обзор современных методов, применяемых для изучения пульсаций в газовых потоках, сформулирована цель исследований и основные положения, которые выносятся на защиту, определен личный

вклад соискателя в приведенные в диссертации результаты.

В первой главе рассматривается общая

постановка задачи измерения пульсаций с помощью термоанемометра. Показано, что графическим отражением связи между коэффициентами чувствительности датчика, пульсациями электрического напряжения на датчике и пульсациями параметров потока (скорости, плотности, температуры и т.д.) является часть двухполостного гиперболоида I

е2 = 1^<и>2+г2<р>2+<Т>2+2гргиНри<Р><и>-2грНрТ<р><Т>-2гиНиТ<и><Т>,

расположенная в первом квадранте, рис.1. Плоскостью симметрии двухполостного гиперболоида является горизонтальная плоскость (гр, гц), соответствующая плоскости относительных чувствительностей датчика к плотности гр и скорости гц.

Для частных случаев, когда в потоке присутствуют пульсации одного типа, гиперболоид вырождается либо в цилиндрические поверхности (<и>=0, <р>=0) , либо в коническую (<Т>=0), рис.2а-2в. Предельным значениям коэффициентов корреляции между параметрами потока соответствуют особые формы поверхностей и их положение, примеры даны на рис.2г-2д.

Для определения уравнения гиперболоида по экспериментальным данным необходимо знать координаты не менее шести точек, принадлежащих поверхности гиперболоида: ^^^из/Гр^» причем гц и гр1 должны быть линейно независимы, в противном случае решение неоднозначно. Коэффициенты чувствительности конкретного датчика термоанемометра к плотности Р , скорости Рц, температуре й взаимосвязаны, и в координатах (&, тр, ги) чувствительности датчиков характеризуются некоторой цилиндрической поверхностью 2, см. рис.1:

1(гр,ги)-0

Экспериментальные точки принадлежат линии пересечения

поверхности 2 и гиперболоида I. Следовательно, в процессе эксперимента можно получить данные лишь для одного сечения гиперболоида I поверхностью 2, которые могут быть использованы для восстановления Формы гиперболоида.

В заключительном разделе главы проведен анализ известных

методов интерпретации данных термоанемометрических измерений для частного случая равенства ги=гр, характерного для сверхзвуковых скоростей потока.

Вторая глава диссертации посвящена анализу и экспериментальным исследованиям характеристик датчиков термоанемометра для измерения пульсаций в сжимаемых потоках.

Сформулированы требования, предъявляемые к датчикам (высокая пространственная разрешающая способность, высокая чувствительность к изменению параметров потока, малая инерционность высокая прочность, виброустойчивость, стабильность характеристик). Предложен вид уравнения теплового баланса, получены выражения для коэффициентов чувствительности датчиков, включенных в цепь термоанемометров постоянного тока (ТПТ) и постоянного сопротивления (ТПС). Показано, что при больших скоростях потока

„ „ ртпт . йтпт . т2уа~^

где ^ - коэффициент перегрева датчика, а к - коэффициент, учитывающий нелинейность закона теплоотдачи от разности температур потока и датчика.

Аналитически получена зависимость постоянной времени от перегрева:

о ГЗш^а^+ЗГ '

которая хорошо подтверждается экспериментальными данными, рис.3. Для несжимаемых потоков к=0 и приведенные выражения приобретают вид соответственно р=2аш и т=т0(1+ад). Выражения для постоянной времени были использованы при создании термоанемометров постоянного тока с автоматической компенсацией тепловой инерции датчика.

Разработанная методика экспериментального определения коэффициентов чувствительности датчиков позволяет свести к минимуму тарировки в потоке, используя данные, получаемые непосредственно в процессе измерения характеристик пульсаций и Физические константы для материала чувствительного элемента, определяемые вне потока, рис.4.

В рамках диаграмм пульсаций выполнен анализ чувствительности датчиков термоанемометра к механическим и аэродинамическим нагрузкам, ведущим к появлению вредных сигналов из-за тензоэффекта и термоэдс, возникающей в местах спая нити и поддерживающих ножек. Показано, что чувствительность датчика ТПС к тензоэффекту выше, чем датчика ТПТ. Ложные сигналы, вызванные термоэдс, более существенны при малых перегревах для ТПТ и при больших перегревах для ТПС.

В третьей главе приведены результаты

исследований по созданию термоанемометров постоянного тока для измерения пульсаций в высокоскоростных потоках.

Обоснованы и разработаны принципы построения Функциональных схем термоанемометров с автоматическим заданием перегревов датчика и автоматической компенсацией тепловой инерции датчика с использованием полученных и приведенных в предыдущей главе зависимостей ^(ад). Примеры амплитудно-частотной характеристики термоанемометра ТПТ-4 приведены на рис.5 для нескольких значений постоянной времени. Основные параметры созданных термоанемометров постоянного тока приведены в таблице.

Характеристика ТПГ-2 Т1ТГ-3 ТПТ-4 ТПТ-4А

Частотный диапазон, Гц 10...2.I05 7.. .2.I05 7. . .2.I05 5. . .2.I05

Постоянная времени датчика, с 5,0.ПГ3 3,3.Ю-3 5,0. Ю-3 I.8.I0"3

Способ задания перегрева ручной автомат. с коррекцией автомат. автомат.

Способ компенсации постоянной времени ручной автоматич. автоматич. автоматич.

Диапазон скоростей 1<М<1 М>1 М>1 М<1

Были проведены метрологические испытания термоанемометров, результаты измерений с помощью ТПТ сравнивались с данными полученными термоанемометрами Фирмы DISA в пограничном слое на плоской пластине в несжимаемом потоке.

Четвертая глава посвящена результатам

измерений характеристик пульсаций в сверхзвуковых однородных потоках.

Параметрические исследования пульсаций в , сверхзвуковой

аэродинамической трубе Т-325 с размером рабочей части 0,2x0,2м

выполнены для чисел Маха М=2...4 в широком диапазоне единичных

й —т

чисел Рейнольдса - (5.10 ...90.10 ) м . Получены данные по интенсивности и спектральному составу пульсаций, скорости источников возмущений. Анализ результатов показал, что доля акустических возмущений, генерируемых пограничным слоем на стенках рабочей части, является преобладающей. Отличительной особенностью пульсаций в аэродинамической трубе Т-325 является немонотонность зависимости интенсивности акустических возмущений от единичного числа Рейнольдса, рис-6, что обусловлено характером развития пограничного слоя на стенках сопла и рабочей части. Сопоставляются данные пульсаций в трех сверхзвуковых аэродинамических трубах (сечение рабочей части 0,04м; 0,2м; 0,6м).

Детально исследованы особенности пульсаций, генерируемых решетками, установленными перед соплом Лаваля и сносимые сверхзвуковым потоком. Характер диаграмм пульсаций в этом случае, рис.7, существенно отличается от диаграмм акустической моды возмущений, генерируемых пограничным слоем (нижняя прямая на рис.7). Анализ показал, что пульсации в рабочей части в этом случае состоят из трех не коррелирующих мод - вихревой, акустической и энтропийной.

Моделирование течения за сотовыми соплами, применяемыми в газодинамических лазерах, рис.8, позволило получить данные о пульсациях как непосредственно за сотовыми соплами, где проявляется ячеистая структура потока, так и в области достаточно однородного течения.

Исследованные три случая иллюстрируют возможности и преимущества термоанемометрического метода изучения пульсаций -применение диаграмм мод, спектральный анализ позволяют разделить возмущения на составляющие, определить преобладающие типы пульсаций в разных участках спектра и т.д. Эти данные могут использоваться для управления интенсивностью пульсаций, их спектральным составом, для выбора преобладающего типа пульсаций.

Основной результат главы заключается в отработке методики таких исследований и получении конкретных данных о структуре сверхзвуковых турбулентных течений.

В пятой главе с помощью термоанемометра исследованы средние и пульсационные характеристики сжимаемых пограничных слоев.

В разделе 5.1 рассматриваются методические вопросы измерения средних и пульсационных характеристик. Получены системы уравнений для расчета профилей средних параметров в пограничном слое по результатам термоанемометрических измерений. Для замыкания системы уравнений могут быть использованы либо результаты измерений температуры потока с помощью датчика термоанемометра, получаемые в процессе экспериментов, либо используется связь между скоростью и температурой в виде интеграла Крокко. Методика была опробована при измерениях в толстом пограничном слое на стенке рабочей части аэродинамической трубы, где данные сопоставлялись с результатами пневмомвтрических измерений.

Предложена методика компенсации тепловой инерции датчика при измерении пульсаций в сжимаемых сдвиговых потоках, когда уровни пульсаций достигают высоких значений.

Разработана методика исследований характеристик устойчивости ламинарного пограничного слоя, получены данные о развитии возмущений в ламинарном пограничном слое пластины с острой и затупленной передней кромкой. На рис.9 показана трансформация спектров пульсаций при острой передней кромке для М-2.

Притупление передней кромки, ведет к уменьшению уровня пульсаций в пограничном слое, рис.10. Исследовано влияние толщины передней кромки Ь на профили средней скорости в пограничном слое и интегральные характеристики и получена эмпирическая зависимость <5**(Ь).

На основании совместного анализа структуры возмущений в рабочей части аэродинамической трубы, профилей средних параметров и характеристик устойчивости ламинарного пограничного слоя показана определяющая роль параметра Ие^,- числа Рейнольдса, вычисленного по толщине передней кромки,- на положение перехода к турбулентности в пограничном слое плоской пластины. Получена

универсальная эмпирическая зависимость для числа Рейнольдса

перехода, если определять его по локальной толщине потери импульса ♦ *

Неп , а в качестве независимой переменной взять Ие^, рис.П. При этом > в отличие от вычисленной по координате х Неп(Ие1), зависимость 11е**(11е^ монотонна.

Проведены эксперименты по изучению влияния интенсивности возмущений, искусственно генерируемых с помощью решеток, на переход в пограничном слое при сверхзвуковых скоростях набегающего потока.

Разработана методика исследования турбулентного пограничного слоя на примерах течения в окрестности зон с большими градиентами давления, создаваемыми ударными волнами и течениями разрежения. Получены данные о трансформации профилей средних параметров и развитии пульсаций в пограничном слое при его прохождении через излом орбразующей осесимметричного тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком. Характерной особенностью является появление за изломом образующей максимума вблизи поверхности в профиле пульсаций в пограничном слое, рис.12.

Методические результаты были использованы также при изучении структуры течения в окрестности отрывных зон при прохождении пограничным слоем последовательных углов сжатия и расширения.

Таким образом, разработана методика исследования характеристик пограничных слоев при сверхзвуковых скоростях и получены новые данные о параметрах течения и структуре пульсаций для ламинарных, турбулентных пограничных слоев при обтекании плоской пластины и при наличии зон с большими градиентами давления.

В шестой главе проведен анализ реакции датчика термоанемометра на различные типы возмущений при больших дозвуковых скоростях потока, когда существенно влияние сжимаемости.

Экспериментально показано, что для обычных условий, имеющих место в трансзвуковых аэродинамических трубах, когда выполняются условия сплошности, практически во всем диапазоне чисел Маха (за исключением скоростей, близких к М-0,85) имеет место равенство относительных коэффициентов чувствительности гр=гц=г, что позволяет использовать для описания диаграмм пульсаций уравнения

плоской диаграммы

Показано, что при больших дозвуковых скоростях диаграммы пульсаций для вихревой и энтропийной мод не имеют качественных отличий от диаграмм для сверхзвуковых скоростей. Для акустической моды реакция термоанемометра и вид диаграмм зависит от характера пульсаций , расположения источников возмущений и т.д.

Исходное уравнение для анализа диаграмм акустической моды при дозвуковых скоростях аналогично полученному Лауфером для сверхзвуковых скоростей:

е-<р>|а(и-1) (1+МС08*0) -г(1+1Г*соа*0) |

Но если при угол х равен либо близок к углу Маха, сов*— то при дозвуковых скоростях . Конкретные значения х

определяются типом возмущений. Для плоских звуковых волн диаграммы имеют "У"-образный вид, когда максимум относительного выходного сигнала термоанемометра достигается при максимальных и минимальных перегревах и существуют перегревы, для которых датчик термоанемометра нечувствителен к плоским акустическим волнам. Зависимость значений г, при которых &-0, от числа М и угла наклона нормали к фронту плоских акустических волн к направлению среднего потока показана на рис.13. Диаграммы, соответствующие некоторым частным случаям ориентации волн, приведены на рис.14. Установлено, что при т~Р выходной сигнал термоанемометра не зависит от ориентации волн, Р-(*-1)М2(1+0,5(«-1)М2>.

Взаимное расположение точечного источника звука и датчика в потоке, рис.15, определяет вид диаграммы пульсаций, поскольку, как следует из рисунка,

М2 / М2 сг/*>-М2

СОВ* ---р- + \/ -я-Р + -я-

У (1+С\£-<РГ

Диаграмма также имеет "У"-образный вид, и обращается в ноль при г, значения которых в зависимости от приводятся на рис.16.

Для распределенных по некоторой поверхности -а источников звука интенсивностью р также получено уравнение диаграмм пульсаций, которое в общем случае можно записать:

2

а2 (г) = г2]" | (1+Мсоа^) (1+М-1 собл:^(Ь- -

2

" | | Р (1 +Мсо8*(1 совх)с&Ф' +

а

2 2 + Н Г Г Р а!г£? (НМсозд:)3^^.

М Л

а

Для частных случаев равномерно распределенных по поверхности источников, соответствующих, например, перфорированным стенкам рабочей части трансзвуковой аэродинамической трубы, вычислены интегралы и получены выражения для коэффициентов корреляции \д>0 и г*, соответствующего положению минимума диаграммы.

Экспериментальное подтверждение полученных аналитически соотношений дано в седьмой главе. С помощью одиночного отверстия, моделирующего точечный источник, генерировались монохроматические акустические пульсации, а с помощью закрытой сеткой перфорации моделировались источники звука равномерно распределенные по стенкам канала' квадратного сечения. Было установлено хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных.

Полученные результаты использовались при исследовании пуль-сационных характеристик в рабочих частях трансзвуковых аэродинамических труб с различными стенками - перфорированными, со щелями, имитирующими адаптивные непроницаемыми, при наличии пристенных струй. На рис.17 даны примеры диаграмм пульсаций при наличии перфорированных стенок для М-0,76...1Д1, а на рис.18 приведены соответствующие им спектры. Там же имеются данные для гладких непроницаемых стенок. В диссертации проанализированы эти и другие данные, приведены результаты исследования различных источников возмущений и изучена эффективность некоторых мер по уменьшению акустических возмущений в рабочих частях трансзвуковых аэродинамических труб.

Эффективно использование диаграмм пульсаций, полученных с помощью узкополосных Фильтров для характерных участков спектра, с целью разделения источников возмущений, изучения их характеристик,

когда в потоке имеют место различные 1гипы пульсаций. На рис.19 приведен спектр сигнала термоанемометра, полученный в рабочей части с перфорированными стенками на разгонном участке, струйными границами в рабочей зоне и наличии отдельного отверстия, генерирующего практически монохроматические акустические возмущения. Соответствующие разным участкам спектра диаграммы пульсаций имеют разный вид и приведены там же. Тип возмущений определяется по виду диаграмм пульсаций - I -пульсации массового расхода, II - акустические возмущения, создаваемые отверстием, III пульсации от распределенных по поверхности источников возмущений. "V" - образный вид диаграммы II и Форма диаграммы III подтверждает правильность полученных в Главе 6 теоретических соотношений.

В диссертации приведены результаты исследований возможности снижения уровня пульсаций в рабочих частях трансзвуковых аэродинамических труб за счет изменения конструктивных элементов и выбора типа рабочей части.

В приложении приводятся некоторые данные испытаний термоанемометров, методики обработки результатов термоанемометрических измерений. Приведен расчет дисперсий характеристик пульсаций и погрешностей измеряемых величин.

В заключении сформулированы основные выводы работы:

I. Метод диаграмм пульсаций обобщен для диапазона скоростей, включающего область сжимаемых не изотермических дои сверхзвуковых течений. Показано, что диаграмма пульсаций, связывающая пульсационные характеристики потока с пульсациями электрического напряжения на датчике термоанемометра, в общем случае представляет собой часть двухполостного гиперболоида, расположенную в первом квадранте. Форма гиперболоида может быть воспроизведена по получаемым в эксперименте координатам пространственной кривой, представляющей собой линию пересечения гиперболоида с цилиндрической поверхностью, определяемой чувствительностью датчика к

температуре, скорости, плотности.

2. Получены уравнения диаграмм пульсаций при больших дозвуковых скоростях. Характерной особенностью диаграмм является отсутствие чувствительности датчика термоанемометра к акустическим возмущениям при перегревах примерно вдвое меньших, чем максимально допустимые для типичных проволочных датчиков. Это позволяет идентифицировать акустические и вихревые возмущения, для которых минимум чувствительности находится при более низких значениях перегрева.

3. Предложены форма записи уравнения теплового равновесия и методика определения коэффициентов чувствительности датчиков термоанемометра, выполнен анализ чувствительности проволочных датчиков термоанемометра к механическим и аэродинамическим нагрузкам, приводящим к тензоэффекту.

4. Разработаны принципы построения усовершенствованных схем термоанемометров постоянного тока. Создана серия термоанемометров с автоматическим заданием перегрева и компенсацией тепловой инерции датчика.

5. Получены комплексные данные об интенсивности, спектральном составе мод пульсаций в рабочих частях сверхзвуковых аэродинамических труб в широком диапазоне чисел Маха и Рейнольдса.

Изучена возможность управления характеристиками пульсаций с помощью решеток из круглых стержней и сотовых сопел.

Исследованы характеристики пульсаций в рабочих частях трансзвуковых аэродинамических труб при, наличии различных стенок. Изучены некоторые наиболее типичные источники пульсаций (отверстия, щели, пограничный слой, струи и т.д.) и предложены способы снижения уровня возмущений.

6. Разработана методика исследования устойчивости сверхзвукового пограничного слоя, позволившая экспериментально исследовать развитие возмущений, ведущих к переходу к турбулентности. Изучена роль в этом процессе внешних возмущений и особенностей развития пограничного слоя

при. наличии притупления передней кромки модели. Предложены соотношения, обобщающие данные по переходу для пластин с неострой передней кромкой.

7. С использованием разработанных методов измерения пульсаций в сдвиговых течениях получены данные о средних параметрах и характеристиках пульсаций в турбулентных пограничных слоях при наличии продольных градиентов давления, вызванных скачками уплотнения и течениями разрежения.

Таким образом, выполнен цикл исследований по развитию техники и методики термоанемометрических измерений в высокоскоростных сжимаемых потоках, в сдвиговых течениях, что позволило получить новые данные о свойствах турбулентных потоков, о нестационарных явлениях при сверхзвуковых и больших дозвуковых скоростях.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Багаев Г.И., Лебига В.А., Харитонов А.М. Излучение звука сверхзвуковым пограничным слоем//Симпозиум по Физике акустико-гидродинамических явлений.- М.: Наука, 1975-C.276-28I.

2. Лебига В.А. Исследование турбулентности при сверхзвуковых скоростях потока с помощью термоанемометра ТПГ-2//Вопросы газодинамики- Новосибирск, ИТПМ СО АН СССР.-I975.-C.I32-I35.

3. Лебига В.А. Особенности датчиков термоанемометра для измерения турбулентности при сверхзвуковых скоростях потока// Вопросы газодинамики- Новосибирск, ИТПМ СО АН СССР- 1975-C.3I2-3I3.

4. Лебига В.А., Черных В-В- Некоторые вопросы методики измерения турбулентности при сверхзвуковых скоростях//Извес-тия СО АН СССР. Серия технических наук- N 3- Вып.1.- 1975-С.78-82.

5- Лебига В.А., Черных В-В. Измерение турбулентности при сверхзвуковых скоростях потока//Аэромеханика.-1976- М.: Наука.-С-187-193.

6. Елфимов А.Г., Лебига В.А., Черных В.В. Термоанемометр постоянного тока. Авторское свидетельство N526828// Бюлл. изобретений N 32, 1976.

7. Елфимов А.Г., Лебига В.А., Черных В.В. Термоанемометр постоянного тока ТГГГ-2//Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности.- Новосибирск,

1976.- C.59-6I.

8. Лебига В.А. Особенности использования проволочных датчиков термоанемометра в сверхзвуковых потоках//Эксперимен-талъные методы и аппаратура для исследования турбулентности.-Новосиьирск, 1976- С.62-65.

9. Лебига В.А., Маслов А.А., Приданов В.Г. Экспериментальное исследование устойчивости сверхзвукового пограничного слоя на плоской пластине с притуплением передней кромки//Из-вестия АН СССР. Механика жидкости и газа.- 1977.- N 4,-С.65-70.

10. Гапонов С.А., Лебига В.А., Маслов А.А.,Приданов В.Г. Развитие возмущений в сверхзуковом пограничном слое, вызванных внешним звуковым полем//Труды IX Всесоюзной акустической конференции- М.-Акустический институт АН СССР,

1977.- С 49-52.

11. Лебига В.А. Вопросы измерения характеристик турбулентности сжимаемых течений//Методы и техника аэрофизических исследований.- Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР.- 1978.- С.44-56.

12. Лебига В.А., Маслов А.А., Приданов В.Г. Экспериментальное исследование устойчивости сверхзвукового пограничного слоя на плоской пластине//Развитие возмущений в пограничном слое.- Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР- 1979.- C.I27-I32.

13- Лебига В.А., Приданов В.Г. 0 влиянии характеристик аэродинамических труб на развитие пограничного слоя на моделях//П всесоюзная конференция по методам аэрофизических исследований ИТПМ СО АН СССР.- Новосибирск, 1979- С.253-255.

14. Lebiga V.A., Maslov A.A. Pridanov V.G. Experimental Investigation oí the Stabllity of Supersonic Boundary Layer on a Fiat Insulated Plate//Archives of Medíanles.- 1979.-v.31.- No 3.- P.397-405.

15. Лебига В.А. Характеристики пульсаций в рабочей части сверхзвуковой аэродинамической трубы//Неустойчивость до- и сверхзвуковых течений- Новосибирск: 1982- C.I23-I30.

16. Гольдфельд М.А., Зиновьев В.Н., Лебига В-А. Структура и пульсационные характеристики сжимаемого турбулентного пограничного слоя за веером волн разрежения- Новосибирск, 1985.- 27с.- Препринт/ИТШ СО АН СССР; N 16-85.

17. Зиновьев В.Н., Косинов А.Д., Лебига В.А., Маслов A.A. Влияние притупления передней кромки модели на характеристики ламинарного пограничного слоя- Новосибирск, 1986- 30с.- Препринт/ИТПМ СО АН СССР; N 29-86.

18. Гольдфельд М.А., Зиновьев В.Н., Лебига В.А. Структура и пульсационные характеристики сжимаемого турбулентного пограничного слоя за веером волн разрежения//Известия АН СССР. Механика жидкости и газа- 1987- N I- С.48-53.

19. Зиновьев В.Н., Лебига В-А. Измерение пульсаций термоанемометром при больших дозвуковых скоростях//Журнал прикладной механики и технической физики- 1988- N 3-С.80-84.

20. Елфимов А.Г., Лебига В.А. Термоанемометр постоянного тока//Авторское свидетельство N 1026059. Бюллетень изобрет. N 24.- 1988.

21. Желтоводов A.A., Лебига В.А., Яковлев В.Н. Измерение характеристик турбулентности в сжимаемых пограничных слоях в окрестности отрывных зон//1урнал прикладной механики и технической физики.- 1989- N 3- C.I08-II3-

22. Зиновьев В.Н., Лебига В.А. Пульсации в трансзвуковом потоке при наличии перфорированных границ//Проблемы моделирования в аэродинамических трубах. Сб. трудов международного семинара. Т. I. Новосибирск- 1989- C.I53-I59.

23. Лебига В.А., Харитонов А.М. 0 моделировании в аэродинамических трубах//Проблемы моделирования в аэродинамических трубах. Сб. трудов международного семинара. Т. I. Новосибирск.- 1989.- C.I36-I40.

24. Лебига В.А. Измерение турбулентности при больших скоростях//4. Tagung Turbulenz-Mestechnik, Karl-Marx-Stadt.-

1989.- P.200-204.

25. Зиновьев B.H., Кталхерман М.Г., Лебига В.А., Мальков В.М., Рубан H.A. Осреднение и пульсационные характеристики потока в аэродинамической трубе за сотовым соплам//Известия СО АН СССР. Серия технических наук- I989-- Вып.5- С.37-52.

26. Lebiga V.A., Zinoviev V.N. Hot-Wire Measurements In Compressible Flows/VICIASF'Sg Record. IEEE Publ. 89CH2762, GoettIngen, September, 21-25.- 1989.- P.385-393.

27. Lebiga V.A., Zinoviev V.N. Acoustic Measurements -with Hot-Wire Anemometer at High Subsonic Velocities//DANTEC Information.- 1991.- No 10.- P.14-16.

28. Лебига B.A. Экспериментальное исследование турбулентности в сверхзвуковом потоке//Известия АН СССР. Механика жидкости и газа- N 3- 1990.- C.II9-I24.

29. Зиновьев В.Н., Лебига В.А. Измерение с помощью термоанемометра в сжимаемых потоках//Известия СО АН СССР. Серия технических наук- 1990- Вып.5- C.22-3I.

30. lebiga V.A., Zinoviev V.N. Acoustic Fluctuations in Transonic Wind Tunnel Test Section//Proceedings of ICAW'91.-Xian, China.- 1991.- P.W8-1-W8-4.

31. Лебига B.A. Термоанемометр в сжимаемом дозвуковом потоке//Известия АН СССР. Механика жидкости и газа- N 6-I99L- C.I60-I67.

32. Lebiga V.A., Zinoviev V.N. Hot-Wire Measurements at High Subsonic Velocities//Proceedings of ICMAR'92.- Novosibirsk.- 1992.- P.79-82.

Puc.3

гтпт 2тпт г

1.0 0,8 0.6 0.4 0.2

о 0,2 0,4 0,6 OS

а

w

Рис Л

Pue. 5

Pue.6

Форкамера Решетки

Рис.8

0,75 '

0,50

0,25

-0,25

-0,50

-о,?5

Pue.13

■в,*

0,6

0,4

0,2

0,ï

0,5

0,2

0,1

M= 1 0,5 /у

180°

of I2CP

/ 1 К / i

1 1 1 1 \ 90°

0 fi 0,2

Pue.14

0,4

H - 1,0

0,8

0,2

0,1

Pue.15

0 1,0 Pue.16

etgjf

0.*

* 0 - н . 0,76 « - и . 0,96 - « - 1,11 /

л

безItepç.

О 0,25 0,50 Г

к Eej.IO"6 <Т<?* EaIo г«1п

0,76 20,5 0,309 0,12 0,96 0,375

о,% 22,6 0,627 0,18 0,97 0,280

1,11 23,3 0,720 0,20 0,91 0,210

го,4 О.047 0,19 0,81 »,3*7

Puc.I?

Рис.18 29

Подписано в печать 14.01.1993

Формат бумаги 60x84/16 Усл.п.1,8 Уч.изд.л. 1,8

Тираж 100 Заказ 3 Бесплатно

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