Пристенные пульсации давления в трансзвуковых отрывных течениях

• Автор: Козлов, Николай Михайлович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 146 с.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Некоторые вопросы трансзвуковой аэродинамики
1.2 Экспериментальные работы по пульсациям давления под скачком уплотнения
1.3 Теоретические работы
ГЛАВА 2 МОДЕЛЬ ПОЛЯ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ПОД СКАЧКОМ УПЛОТНЕНИЯ
2.1 Физическая модель поля пристенных пульсаций давления с учетом области вязконевязкого взаимодействия
2.2 Модель колебаний скачка уплотнения
ГЛАВА 3 ПРОГРАММА ИСПЫТАНИЙ, МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, И РЕЗУЛЬТАТЫ
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
3.1 Общие сведения о моделях и программе испытаний
3.2 Методика измерения мгновенных значений давления на поверхности профиля
3.3 Определение характеристик поля пульсаций давления на фоне помех
3.4 Описание аэродинамической трубы
3.5 Исследование влияния границ потока
3.6 Распределения осреднённого статического давления
3.7 Саже-масляная визуализация
3.8 Интерферометрическая ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
4.1 Разграничение режимов обтекания
4.2 Пульсации давления при максимальном локальном числе М на профиле близком к 1
4.3 Пульсации давления при отрыве с последующим присоединением
4.4 Отрыв до задней кромки. Спектры пульсаций давления
4.5 Отрыв до задней кромки. Корреляционные характеристики
4.6 Экспериментальные результаты по проверке физической модели поля пристенных
ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ С УЧЕТОМ ОБЛАСТИ ВЯЗКО-НЕВЯЗКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
4.7 Экспериментальные результаты по проверке модели поля пульсаций давления под скачком
УПЛОТНЕНИЯ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
ИЛЛЮСТРАЦИИ

Основные обозначения.
/- частота
ы = 27/- круговая частота £ - хорда профиля
М— число Маха набегающего потока V- скорость набегающего потока п - обезразмеренная частота, и = /ЫУ 5/г - число Струхаля, ЗА
/■(и) - безразмерная спектральная плотность пульсаций давления. V -скорость в направлении набегающего потока.
х - координата в направлении по потоку; расстояние вдоль хорды от носка профиля.
а - угол атаки профиля
а - ‘коэффициент перфорации стенок рабочей части; дисперсия случайной величины
р - центральный момент случайной величины V - кинематическая вязкость
Яе = JJVa— число Рейнольдса, рассчитанное по единичной длине (1м) Нижние индексы оо— значение для набегающего потока. лу - значение у стенки Верхние индексы * - комплексно - сопряжённая величина; *п - п-я свёртка функции
Знание характеристик пристенных пульсаций давления, возникающих при трансзвуковом отрыве, важно с точки зрения динамической прочности конструкций и шума в салонах, кабинах, отсеках летательных аппаратов. Наиболее характерным и в то же время важным (с точки зрения динамического нагружения обтекаемой поверхности) видом течения является отрыв на крыльевом профиле из-под скачка уплотнения вплоть до его задней кромки. Трансзвуковые течения отличаются сложной структурой и существенно трансформируются далее при относительно небольших изменениях исходных геометрических и аэродинамических параметров - формы профиля, угла его атаки, чисел Маха и Рейнольдса набегающего штока, границ потока. При этом учёт их влияния не может быть произведён по отдельности. Всё это осложняет как априорную оценку, так и экспериментальное определение характеристик течения, особенно пульсаций давления.
Целью работы является получение методики исследования нагрузок, действующих на обтекаемую поверхность при различных граничных условиях в широком диапазоне частот, а также оценка максимальных нагрузок. Описание возможных конфигураций течения необходимо для решения поставленной задачи. Разграничение типов обтекания с точки зрения динамического нагружения обтекаемой поверхности изучается и последовательно уточняется в таких работах, как Roos 1979; Mundell, Mabey 1986; Lee 2001 однако приведённых там данных недостаточно для интерпретации всех данных по пульсациям давления, которые можно получить в эксперименте. Более подробное описание типов обтекания и методов их определения облегчит анализ и моделирование экспериментальных данных. Необходимы также более подробные исследования каждого из типов обтекания. Данные о параметрических их исследованиях в литературе практически отсутствуют, за исключением режимов с периодическим движением скачков уплотнения, см. обзорную работу Lee 2001.
Как было сказано, пульсации давления под скачком уплотнения определяются большим количеством факторов -существует много различных возмущений, определяющие колебания скачка и сам скачок, который имеет различную в различных режимах течения и весьма сложную структуру. В аэродинамической трубе к естественным источникам добавляются помехи, а скачок уплотнения в присутствии границ может отличаться от скачка в безграничном потоке. Помимо сложностей экспериментального определения пульсаций давления под скачком уплотнения, вопрос об их моделировании стоит более остро, чем для пульсаций под областью турбулентного течения. В настоящее время, судя по литературе уже сложилось понимание механизмов колебания скачка уплотнения, однако мне неизвестны попытки количественной оценки спектров пульсаций давления под скачком.
В настоящей модели предполагается, что источником колебаний скачка уплотнения являются турбулентные возмущения (в присоединённом либо оторвавшемся пограничном слое), которые оцениваются по известным из эксперимента данным о пристенных пульсациях давления. Эти турбулентные возмущения воздействуют на скачок уплотнения либо непосредственно, либо через взаимодействие с задней кромкой профиля. Для оценки взаимодействия турбулентного пограничного слоя с задней кромкой используется работа [Howe 1981]. Скачок уплотнения предполагается прямым, как в работе [Tijdeman, 1977], где изучается колебание скачка при колебаниях закрылка, но учитывается его размытие вблизи поверхности профиля, в области вязко-невязкого взаимодействия, что необходимо для связи колебаний самого скачка с наблюдаемыми пульсациями давления на поверхности.
Показано, что последняя модель в общем случае должна учитывать соизмеримость линейного масштаба размытия скачка с масштабом его колебаний.
При волновом отрыве картина пульсаций на низких частотах складывается из двух составляющих, дающих имеющих совершенно различные корреляционные характеристики - конвекция возмущений вместе с потоком и глобальное колебательное движение - стоячая волна, складывающаяся из возмущений, распространяющихся вверх и вниз по потоку (и вверх и вниз - не конвективные). Проиллюстрируем это на примере режима се=4, М*=0.795. На рис. 93-101 показаны модуль и фаза взаимного нормированного спектра для корреляционных измерений с опорным датчиком в точке х/£=0.33, в которой наблюдался максимум пульсаций давления (прямо под скачком уплотнения). Частотный диапазон анализа составлял 0..800Гц, т.е, область частот колебаний скачка уплотнения. Видно, что от £= - 0.01м до £= 0.03м фаза на низких частотах близка к нулю, где-то между £= 0.03м и |= 0.03м и |= 0.08м изменяется на 180° и сохраняет такое значение до £=0.12м, а от £=0.12м до |=0.13м вновь становится равной 0. На рис. 105 изображено распределение этой глобальной фазы вдоль хорды профиля. К сожалению, расстановка датчиков для данного режима не позволяет достаточно подробно показать первый скачок фазы от 0 до 180°, однако анализ других режимов с волновым отрывом показывает, что он резкий и происходит в области минимума суммарных уровней пульсаций давления за скачком уплотнения. Глобальный характер фазы, изображённой на рис. 105 подтверждается обработкой сигналов с других пар датчиков, работавших в данном эксперименте. Первый переход глобальной фазы через 180 показан на рис. 102. Не очень чёткая близость разности фаз к 180° объясняется вкладом конвективных пульсаций, корреляционные характеристики которых отличны от описываемых. На рис 103 для примера показана корреляция между точками, лежащими в области с одинаковым значением фазы, а на рис 104 - второй переход фазы через 180°.
4.6 Экспериментальные результаты по проверке физической модели поля пристенных пульсаций давления с учетом области вязко-невязкого взаимодействия
На рис. 106 показаны некоторые зависимости у, и у2 от ^ и Я, определяемые формулами (22),(23). Решение системы (22),(23), т.е. определение по заданным у,, у2 с
достаточной точностью можно получить графически по изображенным нарис. 107 семействам кривых с постоянными у,,у2. Эти семейства были получены численным решением (15,16) методом касательных. Видно , что кривые двух семейств пересекаются под уменьшающимся с ростом £ и X углами, следовательно, трудно ожидать правдоподобных решений при больших и Я.