МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 4 • 2014
УДК 533.6.011
© 2014 г. С. В. ГУВЕРНЮК, А. Ф. ЗУБКОВ, М. М. СИМОНЕНКО, А. И. ШВЕЦ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО СВЕРХЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ТЕЛА С КОЛЬЦЕВОЙ КАВЕРНОЙ
Изложены результаты экспериментального исследования сверхзвукового обтекания модели осесимметричного тела с прямоугольным кольцевым вырезом на боковой поверхности цилиндрического корпуса при числе Маха М = 2.5. На основе данных визуализации структуры обтекания и весовых измерений для диапазона относительных длин каверны Ь/к = 8—16 изучена эволюция структуры обтекания каверны при непрерывном изменении угла атаки. Обнаружены и изучены гистерезисные явления.
Ключевые слова: гистерезис, сверхзвуковой поток, отрыв потока, кольцевая каверна, угол атаки, коэффициент аэродинамического сопротивления.
Отрывное обтекание каверн (вырезов, выемок) на поверхности тел является важной задачей в аэродинамике и часто встречается на практике. При этом возможно явление аэродинамического гистерезиса, характеризующееся неоднозначной зависимостью течения от физических и геометрических параметров задачи. Область гистерезиса интересна тем, что незначительное динамическое или тепловое внешнее воздействие на течение может вызвать перестройку от одного режима течения к другому с существенно иными аэродинамическими и тепловыми нагрузками на обтекаемое тело. Перестройка режимов отрывного обтекания тел при изменении угла атаки может быть причиной эффекта антидемпфирования при угловых колебаниях тел в полете [1].
Известно, что при сверхзвуковом обтекании в зависимости от параметров потока, протяженности Ь и глубины к каверны наблюдаются так называемые открытая или замкнутая схемы течения [2]. Если относительная длина каверны Ь/к невелика, реализуется открытая схема. Она характеризуется наличием во всей области каверны дозвукового циркуляционного течения, которое отделено от внешнего сверхзвукового потока слоем смешения, простирающимся от передней до задней кромки каверны. При больших значениях Ь/к реализуется замкнутая схема течения, при которой внешний сверхзвуковой поток присоединяется к поверхности дна каверны, образуя две изолированные области отрыва у переднего и заднего уступов каверны, а во внешнем поле возникают интенсивные волны разрежения и скачки уплотнения.
Для плоских [2] и осесимметричных (кольцевых) каверн [3] при сверхзвуковом обтекании под нулевым углом атаки в диапазоне чисел Маха М = 2.0 — 3.5 известны эмпирические оценки критической длины замыкания каверны Ь3/к « 10 — 13. Отмечается слабая зависимость величины Ь3/к от числа Рейнольдса. Уменьшение относительной длины каверны в случае замкнутой схемы ее обтекания приводит к сближению областей отрыва, существующих в окрестности переднего и заднего уступов. Взаимодействие и последующее слияние этих областей отрыва сопровождается образованием возвратного течения из области сжатия в область разрежения, в результате возникает открытая схема течения. Отмечается [2], что критическая длина открытия каверны Ь0 несколько меньше критической длины ее замыкания Ь3. Интервал Ь = Ь3 — Ь0 опреде-
Фиг. 1. Экспериментальная модель
ляет область гистерезиса по длине каверны, в указанной области возможны как открытая, так и замкнутая схемы обтекания [4].
Детальное исследование осесимметричного сверхзвукового обтекания кольцевой каверны на цилиндрическом теле с коническим наконечником проведено в экспериментальной работе [3]. Там же дан обзор работ по исследованию сверхзвукового обтекания каверн под нулевым углом атаки, приведены данные по распределению давления в каверне и результаты визуализации структуры течения для широкого диапазона относительных длин каверны на режимах течения с открытой и замкнутой схемой.
Наряду с экспериментальными исследованиями проводилось численное моделирование обтекания каверн сверхзвуковым потоком вязкого сжимаемого газа [5]. Пример экспериментальной реализации гистерезиса при сверхзвуковом обтекании кольцевой каверны приведен в работе [4], там же рассматривалась возможность управления течением в плоской каверне в области гистерезиса посредством воздействия на поток кратковременным тепловым импульсом. Расчеты [6] осесимметричного сверхзвукового обтекания кольцевой каверны при непрерывном изменении ее длины в сторону увеличения и в сторону уменьшения позволили теоретически оценить протяженность области гистерезиса.
Известные результаты экспериментальных и теоретических исследований сверхзвукового обтекания каверн относятся к двумерным плоским или осесимметричным задачам. В реальных условиях обтекание осесимметричных тел зачастую происходит под углом атаки, при этом в кольцевой каверне также нарушается осевая симметрия потока. Из-за взаимного влияния через дозвуковые области каверны наветренного и подветренного потоков около тела следует ожидать возникновения более сложных структур течения, чем при осесиммет-ричном обтекании. Изучение таких структур и особенностей трехмерного сверхзвукового отрывного обтекания кольцевых каверн имеет важное практическое значение. Соответствующие экспериментальные данные представляют также интерес для верификации численных моделей, претендующих на адекватное описание отрывных течений.
В настоящей работе экспериментально исследуется модельная задача о трехмерном сверхзвуковом обтекании кольцевой каверны на цилиндре с коническим наконечником при М = 2.5. Преследуется цель обнаружения и анализа возможных гистерезис-ных явлений при непрерывном изменении углов атаки.
1. Экспериментальная модель и условия испытаний. Цилиндрический корпус диаметром 45 мм снабжен цилиндроконическим головным и цилиндрическим хвостовым насадками диаметром D = 64 мм (фиг. 1). Образованная этими телами каверна в осевом сечении представляет собой прямоугольный вырез с равновеликими высотами переднего и заднего уступов h = 9.5 мм, h/D « 0.15. Полуугол раствора конической части головного насадка составляет 20°, длина цилиндрической части этого насадка 14 мм. Хвостовой насадок можно перемещать вдоль оси симметрии так, что относительная протяженность каверны варьируется в диапазоне L/h = 8 — 16. При проведении весовых испытаний используется модификация модели фиксированной длины 304 мм. Протяженность каверны в этом случае варьируется посредством установки на корпусе перед фиксированным кормовым телом дополнительных кольцевых вкладышей с внешним диаметром, равным диаметру кормового тела.
Эксперименты выполнены в аэродинамической трубе А-8 НИИ механики МГУ [7] при числах Маха М = 2.5 и Рейнольдса Яе = 2.34 • 106, вычисленным по диаметру ми-делевого сечения модели. Труба имеет закрытую рабочую часть квадратного сечения размером «0.6х х 0.6 м2 и длиной 1.5 м. Нижняя и верхняя стенки рабочей части аэродинамической трубы выставлены под углом 0.5° к горизонтальной плоскости симметрии сопла для компенсации эффекта вытеснения от нарастающего вниз по потоку пограничного слоя. Рабочая среда — воздух с температурой торможения порядка 275 К. Давление в форкамере составляло около 3.4 • 105 Па. Загромождение моделью рабочей части трубы не превышало 1.5%. Для визуализации структуры течения использовался оптический прибор ИАБ-451. В ходе экспериментов осуществлялась видеорегистрация шлирен-изображений картин течения в цифровом формате. Принятый способ визуализации обтекания позволял наблюдать за эволюцией течения в окрестности наветренной и подветренной сторон каверны. Весовые измерения осуществлялись с помощью штатных электромеханических весов рейтерного типа.
Во всех рассмотренных вариантах в момент запуска аэродинамической трубы модель имела нулевой угол атаки а = 0. Кратковременный процесс запуска, характеризующийся прохождением хаотической системы ударных волн, регистрировался с помощью скоростной видеосъемки. После выхода на рабочий режим производилось непрерывное изменение угла атаки а модели в диапазоне 0—16° как в сторону увеличения а, так и в сторону уменьшения. Скорость изменения угла атаки в эксперименте составляла 0.5 град/с. Погрешность измерения текущего значения а не превышала 15'.
2. Результаты визуализации структуры течения. Обозначим относительную длину каверны X = Ь/к. После запуска трубы для всех X < ^ « 12.0 наблюдалась только открытая схема обтекания каверны, а для X > Х2 « 13.4 — только замкнутая. Для промежуточных значений X при Х: < X < Х2 наблюдались обе схемы течения, причем в серии из 20 повторных запусков трубы наиболее часто возникала открытая схема, реже — замкнутая, в пропорции 1 : 3. Скоростная видеосъемка показала, что за период с момента запуска трубы до установления стационарного течения происходит хаотичный процесс смены режимов обтекания каверны с открытой схемы на замкнутую схему и обратно. Существенно большая частота реализации открытой схемы обтекания может свидетельствовать о большей устойчивости к внешним возмущениям режима обтекания с открытой схемой по сравнению с режимом с замкнутой схемой при X! < X < А^.
При значениях X вне интервала ^^ X2) любые угловые отклонения модели с последующим возвратом на нулевой угол атаки не приводили к изменению схемы обтекания, т.е. открытая схема при X < X! оставалась открытой, а замкнутая схема при X > X2 оставалась замкнутой. При X! < X < X2 положение иное. Если после запуска трубы возникала замкнутая схема, то, увеличивая угол атаки модели, можно было вызвать необратимую перестройку течения с замкнутой схемы на открытую. В то же время если при запуске трубы возникала открытая схема, то возмущения, вызванные угловыми отклонениями модели, уже не приводили к перестройке течения. Таким образом, при А1 < X < X2 для рассматриваемой модели возможны как открытая, так и замкнутая схемы осесим-метричного обтекания каверны. Вне этого интервала реализуется только одна из схем. Указанный интервал изменения параметра X можно считать областью гистерезиса по длине каверны для рассматриваемой экспериментальной модели и условий ее испытаний в аэродинамической трубе. Дальнейшее исследование концентрируется на деталях трехмерного обтекания моделей с различными X при непрерывно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.