Поверхностное трение в турбулентном отрывном течении

• Автор: Сайкин, Андрей Константинович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 99 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Основные обозначения
1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ТРЕНИЯ
В ТУРБУЛЕНТНЫХ ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЯХ
1.1. Поверхностное трение как характеристика турбулентного отрывного течения
1.2. Методы измерения поверхностного трения
1.3. Особенности измерения поверхностного трения
в отрывных течениях
2. ИЗМЕРИТЕЛИ МГНОВЕННОГО ВЕКТОРА
ПОВЕРХНОСТНОГО ТРЕНИЯ В ОТРЫВНОМ ТЕЧЕНИИ

2.1. Выбор принципа действия измерителя мгновенного
вектора поверхностного трения
2.2. Оценка влияния геометрических параметров зонда
на функционирование датчика
2.3. Устройство и принцип действия датчиков
2.4. Градуировка датчиков
2.5. Параметрическая оптимизация характеристик датчиков
2.6. Метрологические характеристики датчиков
2.7. Возможные области применения разработанных измерительных средств
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНОГО ТРЕНИЯ
В ОТРЫВНОМ ТЕЧЕНИИ
3.1. Экспериментальное оборудование и методика исследований
3.2. Характеристики вектора поверхностного трения
в турбулентном отрывном течении за выступом
3.3. Характеристики вектора поверхностного трения
в турбулентном отрывном течении перед выступом
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
При решении различных инженерных задач, в которых приходится иметь дело с обтеканием тел или движением жидкости и газа в проточных частях различных технических устройств, часто возникает необходимость оценки величины напряжения трения на стенке (поверхностного трения). Для многих случаев течения эту оценку можно выполнить теоретически. Однако теоретические модели еще не настолько совершенны, чтобы можно было надежно оценить трение в сложных турбулентных потоках, в частности, в отрывных течениях. В такой ситуации очевидна роль эксперимента как средства прямого получения недостающей информации.
Напряжение трения на стенке представляет собой двухкомпонентную векторную величину. Измерение вектора поверхностного трения в отрывных течениях сопряжено с определенными трудностями. Основная трудность состоит в том, что в областях отрыва и присоединения турбулентного потока течение существенно нестационарно и трехмерно даже при двумерности основного потока. Для этих областей характерны значительные градиенты давления, высокий уровень турбулентных пульсаций параметров течения и быстрые изменения во времени величины и направления вектора скорости потока. Поверхностное трение как двумерный вектор также изменяется по величине и по угловому направлению в круговом диапазоне его значений. Поэтому при измерении вектора поверхностного трения необходимо учитывать эти изменения вектора.
Поверхностное трение является одной из наиболее информативных характеристик отрывных течений. Распределение трения по обтекаемой поверхности несет важную информацию о структуре отрывного течения. Даже сами границы зоны отрыва на обтекаемой поверхности часто определяют как изолинию нулевых значений поверхностного трения. Экспериментальные данные о поверхностном трении необходимы для более полного понимания явления турбулентного отрыва потока и, в конечном итоге, для уточнения и верификации математических моделей течения, создания инженерных методик расчета.
В настоящее время отсутствуют надежные измерители мгновенного вектора поверхностного трения, пригодные для использования в турбулентных отрывных течениях. Известные методы измерения позволяют в лучшем случае оценить только одну компоненту вектора трения, либо имеют ограничения по угловому диапазону, измеряемой среде и т.д.
Цель работы - разработать термоанемометрический датчик, пригодный для измерения мгновенного вектора поверхностного трения

в круговом диапазоне направлений; провести методические исследования работы датчика и оценить его метрологические характеристики; провести измерение и анализ характеристик вектора поверхностного трения в отрывных течениях.
На защиту выносятся:
- термоанемометрические датчики для измерения мгновенного вектора поверхностного трения в отрывном течении;
- результаты измерения характеристик поверхностного трения в турбулентных отрывных течениях.
Личный вклад соискателя в приведенные в диссертации результаты определяется следующим образом:
- идеи, разработки и результаты, вынесенные на защиту, полностью принадлежат автору (без участия других соавторов);
- результаты параметрической оптимизации датчика, его математическая модель (разд. 2.5) принадлежат Н.И.Михееву.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 2 международных симпозиумах и конференциях, на 4 Российских конференциях, на семинарах и конференциях в КазНЦ РАН и КГТУ им. А.Н.Туполева (г.Казань).
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах [29-35, 46, 49, 50, 71], в том числе в монографии [32].
Работа выполнена на кафедре спеццвигателей факультета ДЛА Казанского государственного технического университета (КАИ) им.А.Н.Туполева. Экспериментальные исследования проведены в совместной (КГТУ им.А.Н.Туполева - Отдел энергетики КазНЦ РАН) лаборатории гидродинамики и теплообмена.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю А.П. Козлову, а также коллегам по лаборатории Н.И.Михееву и В.М.Молочникову, за научные консультации и помощь в проведении измерений.
Исследования, результаты которых положены в основу диссертации, проводились при финансовой поддержке, оказанной Российским фондом фундаментальных исследований (гранты №96-02-16834, №96-15-96767, №97-02-16039) и Федеральной целевой программой «Интеграция» (проект № 244).

Можно оценить допустимую высоту выступа, при которой в заданном диапазоне режимов течения выступ заведомо будет находиться в пределах вязкого подслоя пограничного слоя. Выполнение этого условия важно, так как при измерении трения нитяным термоане-мометрическим датчиком оцениваются, по существу, направление и величина скорости потока на высоте расположения нитей, а компоненты вектора трения определяются по градиенту скорости потока вблизи стенки. При условии, что в области расположения зонда мгновенное поле скоростей потока вблизи стенки равномерно, направление и величина скорости на высоте расположения нитей будут оцениваться достоверно. Оценка же модуля мгновенного вектора трения по величине градиента скорости вблизи стенки в потоке с малой толщиной пограничного слоя окажется заниженной по отношению к фактическому значению поверхностного трения.
Пронормируем скорость потока и вблизи стенки по величине динамической скорости их [64]: и=и!их. Здесь гд=(т„,/р)1/2, р - плотность текучей среды, т№ - среднее напряжение поверхностного трения, под которым обычно понимают усредненную по времени продольную компоненту вектора трения. Безразмерную координату по нормали к стенке определяют обычно как у+~уих/у, где V - кинематическая вязкость среды. Высота выступа зонда датчика Н в этих координатах Н=Них/V, а расстояние И от нитей до стенки — к+= кщЫ. При отсутствии градиента давления профиль скорости в вязком подслое ньютоновских жидкостей является линейным, причем и+=у+. Однако, как показано в работах [60, 64], законы изменения скорости в пределах вязкого подслоя и даже смежной с ним области действия закона стенки малочувствительны по отношению к внешним условиям, в том числе к градиенту давления и турбулентности внешнего потока. Условная граница, до которой справедлив линейный закон скорости, также практически не зависит от внешних условий и находится на расстоянии у+«10 от стенки. Таким образом, при измерении поверхностного трения с помощью разрабатываемых датчиков должно выполняться условие Н< 10. Если в качестве Ху, принять модуль вектора трения, это условие можно записать:
I т | <100ру2/#2. (2.1)
За пределами пристенного слоя с линейным изменением скорости потока в диапазоне у+=10...40 выделяют [60] буферный слой, в котором отклонение профиля скорости от линейного закона остается все еще не очень большим. Следовательно, небольшая нелинейность профиля скорости не окажет существенного влияния на результаты измерения поверхностного трения с помощью датчика, имеющего выступ, если предварительно проведена прямая градуировка этого датчика в высоко-