МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 1 • 2015
УДК 532.526.4
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ПОЛЕЙ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ОКРЕСТНОСТИ ВЫСТУПОВ
© 2015 г. А. Ю. ГОЛУБЕВ, Б. М. ЕФИМЦОВ
Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского, Жуковский, Московская обл.
е-mail:alexeygolubev@yandex.ru
Поступила в редакцию 02.04.2014 г.
Экспериментально исследованы поля пристенных турбулентных пульсаций давления, формирующиеся при обтекании выступов. Выявлено наличие трех зон в окрестности выступов, характеризующихся повышенными уровнями пульсаций давления. Исследовано влияние протяженности выступа в направлении потока и его ширины в ортогональном потоку направлении на характеристики полей пульсаций давления. Показано, что при сближении зон с повышенными уровнями пульсаций давления наблюдается их взаимодействие.
Ключевые слова: пульсации давления, прямой уступ, обратный уступ, число Струхаля, спектральная плотность.
На поверхности летательного аппарата практически всегда имеются зоны, характеризующиеся мелкомасштабной геометрической неоднородностью. В качестве примера таких зон можно привести нестыковки обшивок фюзеляжа, обечайки самолетных окон и др. Прямые и обратные уступы на поверхности фюзеляжа самолета, связанные с нюансами производства, в условиях полета порождают локальные поля пульсаций давления, интенсивность которых в звуковом диапазоне частот может существенно (в 100 и более раз) превысить интенсивность турбулентных пульсаций давления на гладкой поверхности. Это приводит к тому, что шум в салонах и кабине экипажа современного скоростного самолета, который по существу определяется источниками, связанными с обтеканием его внешней поверхности, может заметно усилиться из-за наличия на ней уступов [1].
Повышение спектральной плотности пульсаций давления перед прямыми и за обратными уступами отмечено еще в [2]. Были представлены результаты экспериментальных исследований полей пульсаций давления перед прямым и за обратным уступом, высота которого составляла 42% от толщины пограничного слоя. Представлены низкочастотный характер спектра пульсаций давления перед прямым уступом, а также существенное повышение спектральных уровней на низких и высоких частотах за обратным уступом. Кроме того, отмечена повышенная степень коррелированности полей пульсаций давления за обратным уступом.
В [3] получено распределение основных аэродинамических параметров (статического давления, средних скоростей, профилей скорости) в окрестности выступов. При этом было показано, что в окрестности выступов возникают три зоны рециркуляции: перед прямым уступом, за обратным уступом и на ребре, обращенном к потоку. В этих зонах наблюдалось повышение интенсивности пульсаций давления и усиление акустического излучения, что можно видеть, например, в работе [4]. Путем измерений в ближнем поле конфигурации "прямой — обратный уступ" удалось локализовать максимумы акустического излучения непосредственно перед уступом и в зоне присоеди-
нения за ним. Было показано, что на присоединение оторвавшегося потока за уступом существенное влияние оказывают возмущения, формирующиеся при обтекании потоком передней кромки уступа.
Подробное параметрическое изучение полей пульсаций давления в окрестности небольших прямых и обратных уступов проведено в [5, 6]. В качестве параметров подобия были выбраны безразмерная (нормированная толщиной вытеснения пограничного слоя) высота уступа, число Маха, число Рейнольдса, расстояние от точки наблюдения до точки максимума интенсивности перед прямым и за обратным уступами. На основе применения теории подобия предложена модель неоднородных полей пульсаций давления перед прямым и за обратным уступами малой высоты.
Наблюдаемые на поверхности самолета комбинированные конфигурации "прямой — обратный уступ" характеризуются двумя безразмерными параметрами: к) и (/2/к). Здесь /1 — их протяженность в направлении потока, /2 — в ортогональном направлении, к — высота уступа. Влияние (/1/к) и (/2/к) на характеристики полей пульсаций давления перед прямым и за обратным уступами малой высоты, насколько можно судить по опубликованной литературе, не изучено и является предметом настоящих экспериментальных исследований.
Принимая во внимание, что эффекты числа Рейнольдса и числа Маха в области М < 0.8 в характеристиках изолированных полей пульсаций давления перед прямым и за обратным уступами, практически не обнаруживаются ([5, 6]) можно при оценке влияния параметров к) и (/2/к) существенно упростить поставленную экспериментальную задачу. При этом можно ограничиться экспериментальными исследованиями при малой скорости потока и при малых числах Рейнольдса.
По существу речь идет о параметрических экспериментальных исследованиях полей пристенных пульсаций давления, порождаемых потоком над конфигурацией "прямой — обратный уступ" при варьировании четырех безразмерных параметров: числа Струхаля = ю к/и, безразмерной высоты (к/ 8*), безразмерной протяженности конфигурации в направлении потока к) и в ортогональном направлении (/2/к). Здесь ш — циклическая частота, и — скорость потока, 5* — толщина вытеснения пограничного слоя. На основе этих параметрических исследований можно оценить и описать влияние безразмерных параметров (критериев подобия) на характеристики изучаемых полей пульсаций давления.
Эти существенно неоднородные поля пульсаций давления, порождаемые в общем случае трехмерным течением, будем описывать в данной статье безразмерной спектральной
плотностью Ф* = Ф0 (ю)и/д: 'к в области максимальной интенсивности пульсаций давления непосредственно перед прямым уступом и за обратным уступом в виде функций числа Струхаля, зависящих от критериев подобия (к/ 5*, к, /2/к) как от параметров.
1. Постановка эксперимента. Экспериментальные исследования проведены на малошумной аэроакустической установке П-1, представляющей собой канал длиной 3 м с прямоугольным поперечным сечением 21.4 х 221 мм. Во входном коллекторе установки, размещенном в успокоительной камере объемом 1.5 м3, осуществляется плавный переход от кругового поперечного сечения к прямоугольному при отношении площадей 12. За рабочей частью следуют секция безотрывного диффузора, глушитель шума и облицованная звукопоглощающим материалом успокоительная камера объемом 1 м3. Внутренние поверхности коллектора, рабочей части, диффузора установки тщательно полированы.
Поток в рабочей части установки реализуется либо с помощью двух работающих одновременно вентиляторов (на входе и выходе), либо с помощью одного вентилятора (на входе или выходе). Реализуемый диапазон скоростей потока составляет 23.9— 38.6 м/с. В аэроакустической установке П-1 на всех скоростях потока ?7 реализуется
классическое установившееся турбулентное течение в канале. При этом толщина пограничного слоя 5 соответствует половине сечения канала (10.7 мм), толщина вытеснения пограничного слоя 5* ~ 1.35 мм в этом диапазоне скоростей.
Одна из широких стенок рабочей части установки имеет проем, в который можно монтировать жесткую плиту с приемниками пульсаций давления на ее полированной поверхности. Приемники устанавливались строго заподлицо с полированной поверхностью плиты. Для проведения измерений были выбраны миниатюрные приемники пульсаций давления типа 8514-10 фирмы Endevco с диаметром чувствительного элемента 1.63 мм.
В измерениях использованы десять приемников, расположенных на одномерной линейке. Девять приемников устанавливались с шагом 3 мм, десятый приемник был отнесен от девятого на расстояние 6 мм. Таким образом, общая протяженность линейки приемников составляла 30 мм. Данная схема размещения приемников использовалась при измерениях вокруг комбинаций "прямой—обратный уступ", имеющих ограниченные размеры по координате как в направлении потока, так и в ортогональном направлении. Поворот диска координатного устройства, на котором была установлена линейка приемников и конфигурация "прямой уступ—обратный уступ", позволили последовательно определять пристенные пульсации давления в трех зонах: перед конфигурацией, сбоку от нее и за ней.
Сигналы от приемников пульсаций давления поступали на две платы АЦП National Instruments 4452 и 4472. Оцифровка сигналов осуществлялась с частотой 60000 с-1. Для устранения ошибок маскировки частот использовался фильтр НЧ с частотой среза 25 кГц. Таким образом, дальнейший анализ мог проводиться в частотном диапазоне от 0 до 20000 Гц. С помощью специально разработанного программного обеспечения определялись как узкополосные спектральные уровни пульсаций давления с постоянным разрешением по частоте 3.7Гц, так и спектральные уровни в 1/3-октавных полосах частот.
Течение над конфигурацией "прямой уступ — обратный уступ" реализовалось с помощью наклеиваемых на диск координатного устройства прямоугольных в плане пластин разной толщины (0.25, 0.5, 1 и 1.8 мм) из алюминиевого сплава. Соответствующая этим величинам безразмерная высота уступов h = h/8* = 0.187, 0.374, 0.748, 1.35. Длина конфигурации "прямой уступ — обратный уступ" изменялась в широких пределах: от практически нулевой величины (острая кромка) до ~ 200 h. Ширина конфигурации также существенно изменялась: от малых величин l2/ h = 1.67 до максимальной, определяемой шириной канала. В случае, когда ширина конфигурации соответствовала поперечному размеру канала, моделирующая ее пластина не только наклеивалась на координатное устройство, но и закреплялась по краям с помощью винтов.
2. Результаты и обсуждение. Принятая в данной работе система измерений позволяет получить достаточно подробную картину распределения интенсивности пристенных пульсаций давления вокруг конфигурации "прямой — обратный уступ". Ниже на фиг. 1 представлена такая картина в виде распределения уровней пульсаций давления в 1/3-октавных полосах частот со средними частотами 125, 500, 2000, 8000 Гц вокруг конфигурации "прямой — обратный уступ" высотой h = 1.8 мм, длиной = 25 мм и шириной I2 = 25 мм.
В работе [3] отмечены три зоны рециркуляции течения в окрестности выступов. По данным, представленным на фиг. 1, можно выделить три характерные области, где наблюдаются пульсации
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.