Влияние повышенной внешней турбулентности и акустического поля на пространственную структуру пристенных градиентных течений

• Автор: Брыляков, Антон Петрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Глава I. Обзор литературы
1.1. Влияние повышенной внешнейтурбулентности на отрывные течения
1.2. Влияние акустического поля и возбуждение
продольных структур в локальных обласях отрыва
1.3. Возникновение продольных структур в пограничном слое при повышенной внешней турбулентности
Глава II. Методы исследований
2.1. Аэродинамические установки
2.2. Экспериментальные модели
2.3. Методики исследований
2.3.1. Жидкокристаллическая визуализация и термография
2.3.2. Термоанемометрические измерения
Глава III. Отрыв потока на крыловом профиле малого
удлинения при повышенной внешней турбулентности
3.1. Условия проведения эксперимента
3.2. Пространственная структура отрывного
и присоединенного течения
3.3. Влияние повышенной внешней турбулентности на структуру течений
3.4. Выводы к главе III
Глава IV. Акустическое возбуждение продольных структур в областях отрыва на крыловом профиле
4.1. Условия проведения эксперимента
4.2. Большой угол атаки
4.3. Мылый угол атаки
4.4. Термоанемометрическая визуализация
4.5. Выводы к главе IV
Глава V. Влияние повышенной внешней турбулентности на пространственную структуру пристенных течений с благоприятным градиентом давления
5.1. Влияние повышенной внешней турбулентности на структуру пограничного слоя на клине
5.2. Влияние повышенной внешней турбулентности на структуру пограничного слоя на пластине с затупленной передней кромкой при благоприятном градиенте давления
5.3. Оценка поперечных масштабов возмущений, генерируемых турбулизирующей сеткой
5.4. Возможные физические механизмы возникновения продольных
структур
5.5. Выводы к главе V
Заключение
Список литературы
Актуальность темы. В современном турбостроении наблюдается тенденция к снижению количества решеток лопаток компрессоров и турбин с целью снижения массы и стоимости всей установки, и соответственно к увеличению аэродинамической и тепловой иагруженности каждой решетки. Один из принципов, принятых при проектировании высоконагруженных профилей заключается в том, чтобы допускать состояние пограничного слоя на стороне разрежения лопаток близким к отрывному. Это значит, что ошибки, допущенные в проектировании, могут привести к значительному расхождению характеристик. Соответственно, возрастают требования к точности расчета пограничного слоя. Кроме того, структура пограничного слоя в значительной мере определяет распределение тепловых потоков, точный расчет которых особенно актуален при проектировании охлаждаемых лопаток турбин, работающих в условиях высоких температур. Вместе с тем имеющаяся информация о физических механизмах, ответственных за формирование структуры пограничного слоя, очень ограничена.
Качественно состояния пограничного слоя, имеющие место при обтекании лопаток турбомашин аналогичны состояниям, возникающим при обтекании крыла самолета. На подветренной стороне лопатки, где градиент давления неблагоприятный возникает отрывной пузырь и переход к турбулентности. Также при определенных условиях может возникать срыв потока, что приводит к таким крайне нежелательным явлениям в работе компрессоров, как вращающийся срыв и помпаж [1]. На наветренной стороне лопатки градиент давления благоприятный, соответственно формируется устойчивый пограничный слой, в котором, однако, возможно возникновение продольных структур, изменяющих распределение тепловых потоков [2]. Существенной особенностью задачи обтекания лопаток турбомашин является высокий уровень возмущений различной природы, проникающих в
пограничный слой. Обтекание лопаток турбин и компрессоров происходит при высокой степени турбулентности потока [3, 1]. Кроме того, внутри турбомашин высок уровень акустических возмущений, в спектре которых наряду с широкополосным шумом присутствуют выделенные частоты, определяемые частотой следования лопаток и ее гармониками. Актуальность темы диссертации обусловлена слабой изученностью механизмов влияния внешних возмущений различной природы на структуру пристенных градиентных течений, часто встречающихся на практике.
Целью работы является изучение методами саже-масляной, жидкокристаллической визуализации и термоанемометрии влияния повышенной степени турбулентности набегающего потока, создаваемой сеткой, и гармонических акустических возмущений на пространственную структуру пристенных течений с неблагоприятным и благоприятным градиентом давления. При этом изучалось:
а) влияние сеточной турбулентности на крупномасштабные вихри, возникающие в области срыва и на структуру присоединенного течения с ламинарным отрывным пузырем на прямом крыле малого удлинения.
б) механизм акустического возбуждения продольных структур при переходе к турбулентности в локальных областях отрыва на прямом крыле.
в) структура потока, формируемого турбулизирующими сетками, обычно применяемыми в аэродинамическом эксперименте.
г) общие характеристики возникновения и развития стационарных продольных структур в пограничных слоях с благоприятным градиентом давления при повышенной внешней турбулентности.
Научная новизна
-Впервые были получены качественные данные о влиянии повышенной внешней турбулентности на трехмерные вихревые структуры в срывном течении. Показано, что повышенная внешняя турбулентность делает срывной режим обтекания гистерезисным.

полученных данных с результатами, полученными для различных отрывных течений [34, 84, 86, 87]. Характерный амплитудный профиль пульсаций на частоте волны в области отрыва имеет три локальных максимума. Нижний максимум расположен вблизи области возвратного течения, средний максимум соответствует точке перегиба на профиле средней скорости, верхний максимум лежит у внешней границы оторвавшегося пограничного слоя. Локальным минимумам пульсаций, расположенным в сдвиговом слое соответствуют сдвиги фазы волны примерно на 0,5л:. На рис 4.8. представлен график нарастания фазы колебаний на частоте волны неустойчивости, определенной вдоль линии постоянной средней скорости, соответствующей среднему локальному максимуму на профиле среднеквадратичных
пульсаций. Средняя фазовая скорость волны, определяемая как с = 2я7—,
'Ах
оказывается равной примерно (0,5..0,55)ие, где ие-местная скорость среднего течения. Это значение фазовой скорости соответствует длине волны неустойчивости 5,3 мм. Авторы [34] отмечали, что, по данным визуализации в отрывном пузыре на плоской пластине, характерный поперечный масштаб существующих в области присоединения и турбулентного пограничного слоя продольных структур оказывается примерно равным длине возбуждаемой волны неустойчивости. В настоящем исследовании характерный поперечный масштаб продольных структур определялся по распределению средней скорости течения по оси г при х/С=0,3. (рис. 4.9). В этой области по данным визуализации существуют продольные структуры. Показанные на рис. 4.9 данные демонстрируют периодические изменения величины скорости потока в трансверсальном направлении. С помощью дискретного преобразования Фурье была получена оценка для характерного поперечного масштаба колебаний, которая составила 4,75 мм. (рис. 4.10). Таким образом, в настоящем исследовании поперечный масштаб продольных структур, как и в предыдущей работе [34], примерно соответствует длине волны неустойчивости (различие-около 11%).