Влияние шероховатости поверхности конуса на развитие возмущений и ламинарно-турбулентного перехода в гиперзвуковом пограничном слое

Внедрение: 2017 г.

В работе учёных из Новосибирска по аэродинамике [1] представлены данные о влиянии распределенной шероховатости модели конуса с затупленным носом на положение ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) в гиперзвуковом пограничном слое. Исследования проводились при числе Маха 5,95.

Эксперименты проводились в аэродинамической трубе "Транзит-М" ИТПМ СО РАН. Модель представляла собой конус (рисунок 1) и была установлена в испытательной секции аэродинамической трубы вдоль оси сопла. Для измерения пульсаций давления на поверхности модели в носовой и основной секции модели были установлены высокочастотные датчики давления PCB 132A31. Восемь датчиков пульсаций давления были установлены вдоль образующей конуса на его поверхности. Девятый датчик располагался симметрично восьмому на противоположной стороне, чтобы установить модель под нулевым углом атаки. Датчики давления применялись совместно с преобразователем сигналов Piezotronix 482C05. Сбор данных с датчиков осуществлялся тремя четырехканальными АЦП E20‑10, синхронизированными с системой управления с частотой до 1,7 МГц. 

Рисунок 1. Схематическое представление модели (а) и увеличенный нос модели с обозначением координат (б). Размеры указаны в миллиметрах.

Шероховатость конуса была сделана с использованием калиброванного песка, нанесенного на нос модели конуса. На рисунке 2 приведены примеры распределенной шероховатости.

Рисунок 2. Пример применения шероховатости песка на носовой части модели: (а) – вытянутой на 5,5 мм относительно Θ = 90°; (б) – Θ = 90°; (в) – Θ = 45°, (г) – песочное кольцо под углом Θ = 90°.

Измерения температурных полей на поверхности модели проводились с помощью тепловизора Flir sc7000. 

Для нахождения величины нестационарного теплового потока был применен алгоритм Кука-Фельдермана, позволяющий получить решение задачи о распространении тепла в полубесконечном теле.

Исследование было направлено на поиск местоположения шероховатости, при котором влияние на ЛТП будет максимальным. Согласно литературным данным, область звуковой линии играет ключевую роль в ЛТП на шероховатом носу. Для каждой конфигурации модели с шероховатостью было выполнено необходимое число пробегов, при которых число Рейнольдса постепенно увеличивалось, пока критическое число Рейнольдса (начиная с которого положение перехода отличалось от случая гладкого носа) не достигло эффективного числа Рейнольдса (при котором положение перехода перескакивало с хвоста на нос модели).

Рисунок 3. Распределение тепловых потоков по поверхности модели с шероховатостью (а) 0 = 90° и без шероховатости (б). R = 2  мм.

Рисунок 4. Распределение теплового потока на поверхности модели для трех единичных чисел Рейнольдса. R = 2 мм, Θ = 90°.

Эффективные единичные числа Рейнольдса для различных углов шероховатости, умноженные на значения Ra и PV, показаны на рисунке 5. Ra – это стандартное определение шероховатости, определяемое как среднее арифметическое отклонение профиля, а PV – наибольшее значение отклонения профиля (от пика к пику).

Рисунок 5. Зависимость эффективных единичных чисел Рейнольдса, умноженных на Ra (снизу) и PV (сверху) от области применения шероховатости.

На рисунке 6 показаны амплитудные спектры пульсаций давления, нормированные к давлению на границе пограничного слоя для различных типов шероховатости.

Рисунок 6. Распределение спектров пульсаций давления на стенке для различных типов шероховатости.

В статье показано, что шероховатость оказывает наибольшее влияние на ЛТП при приложении угла 0 ~ 90°. Для достижения эффективного числа Рейнольдса наличие шероховатости необязательно на всей поверхности носа. Небольшой площади, нанесенной под определенным углом, достаточно для получения перехода. Это означает, что ключевую роль в переходе играет шероховатость, которая находится непосредственно на границе шероховато-гладкой стенки. Спектральным анализом установлено, что наличие шероховатости приводит к развитию возмущений в гиперзвуковом пограничном слое, связанных со второй модой. Это приводит к образованию более раннего прерывистого пограничного слоя и, как следствие, к более раннему ЛТП.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 14‑11‑00490‑П).

Источник:
Yu. Gromyko, D. Bountin, P. Polivanov, A. Sidorenko and A. Maslov. The Effect of Roughness of Blunted Nose of Cone on the Development of Disturbances and Laminar-Turbulent Transition in a Hypersonic Boundary Layer // AIP Conference Proceedings 1893, 030148 (2017); https://doi.org/10.1063/1.5007606.

Разработчик: Громыко Ю.В., Бунтин Д.А., Поливанов П.А., Сидоренко А.А., Маслов А.А. (ФГБУН ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск)