Исследование турбулентности за уступом поверхности в пограничном слое плоской пластины

Внедрение: 2021 г.

В аэродинамической трубе на плоской пластине в отрывном течении за прямоугольным уступом исследовано возникновение и развитие локализованных возмущений, порождаемых низкочастотными импульсными отклонениями локального участка обтекаемой потоком поверхности в условиях низкой и повышенной степени турбулентности набегающего потока. Результаты получены методом термоанемометрии при малой дозвуковой скорости потока [1]. Исследование проведено в дозвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе МТ‑324 Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН. 

Рисунок 1. Малотурбулентная дозвуковая аэродинамическая труба Т‑324. Общий вид (фото с сайта www.itam.nsc.ru).

В качестве экспериментальной модели использована плоская пластина с обтекаемой носовой частью в виде двух сопряженных полуэллипсов, установленная горизонтально в рабочей части трубы под нулевым углом атаки (рисунок 2). На рабочей стороне пластины помещалась накладка, задний срез которой образовывал прямоугольный уступ поверхности. В задней части пластины располагался закрылок, служащий для изменения положения линии растекания вблизи передней кромки и установления ламинарного течения над поверхностью модели. 

Рисунок 2. Схема эксперимента: 1 – пластина с уступом; 2 – мембрана; 3 – успокоительная емкость; 4 – динамический громкоговоритель; 5 – закрылок; 6 – турбулизирующая сетка (размеры приведены в миллиметрах).

Измерения проводились термоанемометром постоянной температуры фирмы A.A. Lab. Systems Ltd, модель AN‑1003 с использованием однониточного датчика. Перемещение датчика в области измерений осуществлялось полуавтоматическим программируемым координатным устройством. Скорость потока в рабочей части аэродинамической трубы измерялась трубкой Прандтля в сочетании с электронным дифференциальным микроманометром. 

Исходные экспериментальные данные представляли собой набор осциллограмм, записанных в различных точках измерения вблизи поверхности модели. Сигнал термоанемометра, оцифрованный АЦП модуля E14-440, сохранялся в памяти ПК с осреднением осциллограмм по ансамблю для улучшения отношения сигнал/шум.

Обработка результатов измерений, фильтрация сигнала (выделение его высокочастотной составляющей) проводились при помощи прямого и обратного преобразований Фурье в выбранном диапазоне частот. Прямое преобразование Фурье осциллограмм сигнала датчика термоанемометра давало представление о его спектральном составе. Далее выбиралась область частот, соответствующая исследуемому возмущению – волновому пакету, в пренебрежении другими спектральными составляющими. Модифицированный частотный спектр подвергался обратному преобразованию Фурье с восстановлением сигнала в координатах «амплитуда–время». По наборам осциллограмм вдоль выделенной пространственной координаты строились изоконтуры пульсаций скорости, что позволило получить картины термоанемометрической визуализации возмущений.

Экспериментальные данные получены при скорости набегающего потока 6,5 м/с и соответствующем числе Рейнольдса 1300. В принятой системе координат ее начало отсчета лежит в плоскости симметрии модели на передней кромке пластины; ось x направлена вдоль потока, ось z – вдоль передней кромки модели, ось y – перпендикулярна направлениям x, z с началом отсчета на поверхности пластины.

Импульсное воздействие мембраны на пограничный слой приводит к образованию в нем возмущений двух типов: локализованной в трансверсальном потоку направлении полосчатой структуры и волновых пакетов вблизи ее переднего и заднего фронтов. К аналогичному результату приводит движение мембраны, расположенной перед отрывной областью. Генерируемая перед зоной отрыва полосчатая структура представлена на рисунке 3, а контурами отклонения продольной компоненты скорости течения от ее невозмущенной величины. 

Рисунок 3. Контуры пульсаций скорости в плоскости z–t в его максимуме по координате y при x = 150 мм: а – без фильтрации сигнала; б – после фильтрации в полосе частот 100‑700 Гц (отрицательные отклонения скорости показаны синими контурными линиями, положительные – красными). 

В результате исследований установлено, что в условиях низкой и повышенной степени турбулентности набегающего потока импульсные отклонения локального участка обтекаемой потоком поверхности генерируют возмущения, представляющие собой так называемые полосчатые структуры и волновые пакеты колебаний. Отрыв ламинарного пограничного слоя ускоряет нарастание волновых пакетов с последующей турбулизацией пристенного течения. Выявлены особенности поведения локализованных возмущений в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока. 

Источник:

Садовский И.А., Катасонов М.М., Павленко А.М. Исследование развития локализованных возмущений в пограничном слое плоской пластины в условиях повышенной степени турбулентности набегающего потока за уступом поверхности // Сибирский физический журнал. 2021. Т. 16, № 1. С. 65‑80. DOI 10.25205/2541-9447-2021-16-1-65-80

Разработчик: Садовский И.А., Катасонов М.М., Павленко А.М. (Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск)