ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 5, с. 725-739
ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА
УДК 532.526
К ПРОБЛЕМЕ РЕЛАМИНАРИЗАЦИИ СВЕРХЗВУКОВЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ НА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ТЕЛАХ В ЛЕТНЫХ УСЛОВИЯХ ПРИ НАЛИЧИИ ТЕПЛООБМЕНА
© 2004 г. А. И. Леонтьев*, А. М. Павлшченко**
*МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва **Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск Поступила в редакцию 10.02.2004 г.
Проведен анализ исследований проблемы реламинаризации турбулентных пограничных слоев при различных воздействиях на поле течения. Представлены результаты летных аэрофизических экспериментов по эффекту реламинаризации в сверхзвуковом турбулентном пограничном слое при Яе^ ^ < 108, М^ < 4.5 и ускорении а < 32g в условиях аэродинамического нагрева. Приведены количественные данные о градиентных критериях устойчивости двух типов в точках начала реламинаризации в летных условиях.
ВВЕДЕНИЕ
Процесс реламинаризации дозвуковых и сверхзвуковых пристеночных турбулентных пограничных слоев является одной из самых сложных и нерешенных проблем теплофизики и газовой динамики. Эффект реламинаризации, экспериментально установленный одним из авторов в 1952 г., исследовался на протяжении многих лет различными методами, например в [1-42].
Изучение эффекта реламинаризиции имеет фундаментальное научное значение, обусловленное сложной эволюцией характеристик пристеночной турбулентности и ее подавлением под влиянием внешних воздействий, таких как отрицательный продольный градиент давления, отсос, охлаждение и др.
Наряду с этим данный эффект представляет интерес для практики, так как позволяет снизить тепловые потоки и сопротивление трения для ракетных двигателей [13, 31], элементов летательных аппаратов и головных частей ракет [2, 16, 35], проточных частей энергетических установок [1, 4, 39] и сопел газофазных ядерных ракетных двигателей [10, 43, 44].
К настоящему времени получены обширные экспериментальные данные по реламинаризации дозвуковых и сверхзвуковых турбулентных пограничных слоев на основе динамических и тепловых измерений в условиях внутренних и внешних течений [1-7, 9-21, 26-35, 39-41, 45].
Результаты теоретических исследований процесса реламинаризации пристеночных турбулентных пограничных слоев представлены, например, в работах [8, 20, 22-25, 37, 38], в которых использова-
лись различные способы математического описания и модели турбулентности.
Результаты лабораторных исследований
К настоящему времени результаты лабораторных экспериментов позволили установить, что эффект реламинаризации квазиизотермических и неизотермических турбулентных до- и сверхзвуковых турбулентных пограничных слоев, связанный со снижением турбулентного тепло- и массообмена и подавлением турбулентности, обусловлен такими причинами, как ускорение потока в условиях отрицательного продольного градиента давления [14, 7-9, 13, 15-25, 29, 31-33], отсос газа из пограничного слоя [34], охлаждение обтекаемой поверхности [28], совместное действие охлаждения стенки и ускорения потока газа [9, 31, 32, 46], нагрев обтекаемой стенки [10, 11, 40].
Критерии начала реламинаризации. Эффект реламинаризации наиболее широко исследовался как экспериментально, так и теоретически при воздействии ускорения потока на до- и сверхзвуковые турбулентные пограничные слои. Для количественной оценки наступления реламинаризации
V йие
, где
использовался параметр ускорения К =
и?
ие - продольная составляющая скорости на внешней границе пограничного слоя, V - кинематическая вязкость, х - продольная координата. При К < < (2.3-2.5) х 10-6 ускорение потока считается умеренным. Значительное ускорение потока наблюдается при К > 2.5 х 10-6. Экспериментально [46] и теоретически [38] показано, что критическое зна-
чение параметра ускорения, при котором в пограничном слое происходит обратный переход от турбулентного режима течения к ламинарному, слабо зависит от числа Рейнольдса и составляет Ккр = (3.5-3.6) х 106. Авторы [8] выявили, что снижение числа Стантона 81 при турбулентном течении между двумя сходящимися пластинами обусловлено разными механизмами при умеренном и сильном ускорениях потока. Заметное уменьшение числа 81 в опытах при умеренном ускорении потока может быть вызвано формированием температурного (теплового) подслоя. Резкое снижение числа 81 при более значительном ускорении потока определяется обратным переходом турбулентного динамического пограничного слоя в ламинарный режим.
При экспериментальных исследованиях эффекта реламинаризации использовались разнообразные методы измерений. Наиболее полные и точные опытные данные по реламинаризации, представленные в работах [15, 18, 20, 21, 41], получены с помощью термоанемометрических измерений. Авторы [15], исследовавшие с помощью термоанемометра турбулентный пограничный слой в канале при ускорении потока К = 3.7 х 10-6 и его отсутствии, выявили наличие реламинаризации на основе измерений пульсаций трех компонентов скорости, универсального профиля средней скорости, напряжения трения на стенке, кинетической энергии турбулентности, напряжения Рейнольдса, интегральных характеристик и профилей средней скорости.
Опытные данные по влиянию ускорения потока на характеристики пристеночной турбулентности и степени реламинаризации при величине параметра ускорения К = 2.3 х 10-6 получены в [20, 21]. В этих работах установлено влияние ускорения потока на область генерации турбулентности, что проявилось в наличии отрицательной генерации турбулентной энергии и возникновении эффекта реламинаризации. Ускорение потока вызвало значительное снижение пульсационных составляющих скорости и энергии турбулентности, увеличение толщины вязкого подслоя, перераспределение энергии продольных пульсаций скорости по волновым числам с уменьшением доли энергии в области малых волновых чисел и увеличением доли энергии в высокочастотной части спектра. Данные [20, 21] выявили существенное влияние ускорения потока на вихревую вязкость, длину пути смешения, постоянную Кармана X, интенсивность теплообмена и турбулентное число Прандтля.
В работе [18] с помощью термоанемометра исследовалось влияние ускорения потока при К = = (1.6-4.5) х 10-6 на универсальные профили средней скорости и температуры, их пульсации, на касательные напряжения, тепловые потоки и тур-
булентное число Прандтля. В [18] установлено уменьшение турбулентных пульсаций скорости и температуры, увеличение толщин вязкого и теплового подслоев при наличии эффекта реламина-ризации. Следует подчеркнуть, что опытные данные работ [15, 18, 20, 21] качественно согласуются между собой.
Для внутренних течений в соплах, каналах и трубах [3, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 17, 18, 19-21, 29, 3033, 47, 48] эффект реламинаризации был установлен на основе измерений профилей скорости и температуры в пограничных слоях, а также по опытным данным о числе Стантона 81, о локальных коэффициентах трения и тепловых потоках на стенке. Для случаев внешнего обтекания угловых конфигураций реламинаризация исследовалась в сверхзвуковых турбулентных пограничных слоях при воздействии отрицательного продольного градиента давления [2, 16, 17, 26].
Наиболее полные и детальные расчеты турбулентных пристеночных течений при наличии реламинаризации с использованием численных методов проведены в [20, 22, 23, 25, 38]. В этих работах использовались современные дифференциальные модели турбулентности и эффективные численные методы, позволившие подтвердить существование реламинаризации турбулентных пограничных слоев при наличии ускорения потока.
Важным представляется вопрос о критериях наступления реламинаризации турбулентных пограничных слоев при наличии различных внешних воздействий на поле течения. Наряду с парамет-V Лие
рами ускорения К = — —— для каналов и реламина-
и2
ризации Кф = —для трубы, предложенными в в БТср
работе [10], где в - массовая скорость, В - диаметр трубы, ц - вязкость, Т - температура, ср - удельная теплоемкость, ^ - плотность теплового потока, используются другие критерии реламинаризации. В [5, 36] предлагается критерий QCnf, в кол Vedue
тором е = ^ 1Х,
ие, х - соответственно
кинематическая вязкость, продольные скорость и координата, С f - коэффициент трения, а п = 0.5-1.5 определен по опытным данным. В работах [36, 49] использовался критерий реламинаризации вида
^ ^ е dp
Qp =--3"---- , где \е, ре, ие, - соответственно кине-
Реи,
матическая вязкость, плотность, продольная скорость на внешней границе пограничного слоя, а
dp - т-г
-у- - продольный градиент давления. По данным
dХ
е
работы [5] = 0.018. Авторы [16] при исследовании сверхзвукового обтекания тела с угловой точкой показали, что в качестве критерия реламинари-зации турбулентного пограничного слоя может быть использовано соотношение АР/т„ > 60-75, где АР - перепад давления при расширении потока в веере волн разрежения, а т„ - напряжение трения на стенке перед расширением.
Рассмотренные критерии реламинаризации являются, во-первых, эмпирическими и справедливыми для определенного вида течений и диапазона параметров, во-вторых, они не учитывают локальные свойства потока. В связи с этим научный и практический интерес представляет полученный теоретически в [50] математически обоснованный инвариантный градиентный критерий устойчивости ламинарных пристеночных течений, для определения которого необходимо иметь значения первой и второй производных продольной составляющей скорости по вертикальной координате. Ранее в работе [51] из физических соображений без математического обоснования был предложен неинвариантный градиентный критерий устойчивости пристеночных течений. Так как проблема реламинаризации пристеночных турбулентных течений является достаточно сложной и в то же время имеет практическую важность, представляет интерес использование инвариантного критерия устойчивости [50] и градиентного критерия [51] в качестве критериев реламинаризации.
е
107
106
105
4 х 104
50
70
90 т, с
5
2
5
2
Результаты летных испытаний
Рассмотренные выше экспериментальные исследования реламинаризации турбулентных пограничных слоев
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.