М ЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 4 • 2012
УДК 532.526:553.6.071.082
© 2012 г. |М. Н. КОГАН1, В. М. ЛИТВИНОВ, А. А. УСПЕНСКИЙ, М. В. УСТИНОВ
СНИЖЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТРЕНИЯ ПРИ ЛАМИНАРИЗАЦИИ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ С ПОМОЩЬЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРНОГО
РАЗРЯДА
Приведены результаты экспериментального исследования возможности снижения сопротивления поверхностного трения посредством затягивания ламинарно-турбулентного перехода при воздействии на течение приповерхностного диэлектрического барьерного разряда. Измерения проводились на нижней плоской стенке рабочей части аэродинамической трубы при скорости потока 10 м/с и турбулентности около 0.06%. Показано, что использование разряда, возбуждаемого в области начала ламинарно-турбулентного перехода, позволяет получить заметное (до 20%) снижение сопротивления трения.
Ключевые слова: пограничный слой, снижение сопротивления трения, ламинарно-турбулент-ный переход, диэлектрический барьерный разряд, генератор высоковольтных импульсов.
Уменьшение сопротивления трения пограничного слоя — одна из задач улучшения летных характеристик самолета. С этой целью в нашей стране и за рубежом активно исследуется возможность управления течением газа с помощью диэлектрического барьерного разряда. Этот тип разряда создается на электродах, разделенных тонким слоем диэлектрика. При подаче на электроды импульсов высокого напряжения частотой порядка нескольких килогерц, вблизи их кромок образуется неоднородное электрическое поле, ионизирующее и ускоряющее часть молекул воздуха, которые в виде ионов передают свой импульс нейтралам. В результате возникает движение газа в виде приповерхностной реактивной струи со скоростью в несколько метров в секунду. Достаточно подробные экспериментальные исследования барьерного разряда и создаваемого им течения выполнены в [1]. Моделирование физических процессов в зоне разряда [2, 3] показало, что его действие на поток можно свести в основном к воздействию объемной силы, сосредоточенной в малой окрестности кромок электродов и направленной преимущественно вдоль поверхности. Ввиду высокой частоты напряжения, питающего разряд, в большинстве случаев объемные силы можно считать стационарными и равными их осредненным по времени значениям.
Известны попытки использования барьерного разряда для снижения сопротивления обтекаемой поверхности, устранения отрыва пограничного слоя, повышения подъемной силы крыла и затягивания ламинарно-турбулентного перехода. Анализ расчетов и проведенных экспериментальных исследований показывает, что наиболее перспективным с точки зрения энергетической эффективности является использование электрогазодинамического способа воздействия на течение с целью затягивания ламинарно-турбулентного перехода [4, 5]. Расчеты [4, 6] показали, что относительное приращение скорости в пограничном слое на несколько процентов достаточно для существенного увеличения длины ламинарной области. Еще больший эффект может дать управление профилем скорости поперечного течения на стреловидном крыле [7—9]. Эксперименты [10] показывают, что ускорение течения в пограничном слое разрядом действительно замедляет нарастание волны Толлмина—Шлихтинга, возбуждаемой вибратором несмотря на то, что сам по себе разряд — источник дополнительных не-
устойчивых возмущений. Кроме того, в [10] также продемонстрирована возможность использования барьерного разряда, модулированного низкочастотным сигналом, для подавления волны неустойчивости путем генерации искусственных возмущений в противофазе.
Все упомянутые эксперименты по управлению ламинарно-турбулентным переходом с помощью барьерного разряда выполнены при внесении в пограничный слой искусственных возмущений достаточно большой амплитуды. При этом число Рейнольд-са перехода было в несколько раз меньшим, чем в широко известных экспериментах [11], выполненных при низком уровне турбулентности набегающего потока.
Ниже изложены результаты экспериментальных исследований влияния диэлектрического барьерного разряда на ламинарно-турбулентный переход, вызванный естественными возмущениями в пограничном слое. На основе использования теоремы импульсов выполнены оценки влияния разряда на сопротивление поверхностного трения области перехода.
1. Экспериментальная установка и методика измерений. Испытания были проведены в низкотурбулентной аэродинамической трубе Т-36И ЦАГИ прямоточного типа. Ее рабочая часть имеет длину 2600 мм и прямоугольное поперечное сечение размером 500 х 350 мм. Степень турбулентности в ней при скорости потока 5—50 м/с не превышала 0.06% при измерении в диапазоне частот 5—1500 Гц. Измерения характеристик течения в пограничном слое проводились на нижней металлической стенке рабочей части трубы, в которой был вырезан люк размером 285 х 285 мм для размещения пластины из диэлектрика с разрядными электродами. Разряд возбуждался на паре плоских электродов, один из которых был расположен на верхней, а другой на нижней поверхностях пластины толщиной 1.5 мм. Электроды были выполнены путем электролитического травления двухсторонне фольгированного стеклотекстолита (толщина медного покрытия 50 мкм). Ширина верхнего электрода была равна 6 мм, а нижнего 9 мм. Длина каждого электрода составляла 260 мм. Нижний электрод был смещен относительно верхнего в направлении потока на 7 мм для обеспечения наибольшей величины продольной составляющей напряженности электрического поля, ускоряющего заряженные частицы. Пластина с электродами размещалась в люке заподлицо с поверхностью нижней стенки рабочей части трубы. При этом электроды были ориентированы поперек направления потока, а расстояние от начала рабочей части трубы до задней кромки верхнего электрода составляло 1130 мм.
Все измерения были выполнены на скорости потока 10 м/с, величина которой была предварительно подобрана так, чтобы разрядные электроды находились в зоне начала ламинарно-турбулентного перехода. При этом наблюдался незначительный градиент скорости по длине трубы (снижение скорости потока на одном метре длины составляло примерно 0.8%).
Для возбуждения разряда использовался генератор высоковольтных импульсов, состоящий из двух частей: блока питания и блока генерации управляющих биполярных импульсов, подаваемых на первичную цепь высоковольтного трансформатора. В качестве источника начальных импульсов использовался кварцевый генератор с частотой 1 МГц с цифровым задатчиком длительности импульсов и паузы, которые в проведенных экспериментах были равны соответственно 20 и 60 мкс. Частота следования импульсов высокого напряжения как положительной, так и отрицательной полярности составляла в проведенных экспериментах 6.25 кГц, а амплитуда высокого напряжения 4.4 кВ. Измерение и контроль параметров в первичной управляющей цепи трансформатора проводились приборами постоянного тока. Контроль величины и формы высокого напряжения и тока во вторичной цепи трансформатора (в цепи питания разряда) осуществлялся с помощью двухлучевого цифрового осциллографа RIGOL DS1000.
Схема эксперимента представлена на фиг. 1, на которой показано расположение пластины с электродами и их конфигурация. Все измерения проводились в вертикаль-
Фиг. 1. Схема эксперимента: 1 — нижняя стенка рабочей части АДТ, 2 — диэлектрическая пластина, 3, 4 — разрядные электроды, 5 — генератор высоковольтных импульсов; 6 — датчик термоанемометра; 7 — державка
ной плоскости, расположенной в середине рабочей части. За начало системы координат принималась задняя кромка верхнего электрода, ось х была направлена по потоку, ось у — перпендикулярно нижней стенке трубы.
Средние значения продольной составляющей скорости потока u и ее среднеквадратичные пульсации ^ измерялись термоанемометром постоянной температуры типа DISA 55М01. При этом использовался датчик с горизонтальной нитью длиной 1 мм и диаметром 5 мкм. Реализации скорости записывались в память персонального компьютера с помощью платы АЦП, а затем производилась их цифровая обработка. Точность измерения средней скорости составляла 1—1.5% от скорости набегающего потока Программа для обработки данных была написана в ЬАБУШ^. Она позволяла провести аппроксимацию профилей скорости в пограничном слое и рассчитать их интегральные параметры: толщину вытеснения 5*, толщину потери импульса 5** и формпараметр Н = 5*/5**.
Датчик термоанемометра при измерении профилей скорости и ее пульсаций перемещался с помощью двухстепенного координатного устройства с шагом 0.1 в вертикальном и 1 мм в продольном направлениях. Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный определялся по положению максимума среднеквадратичных пульсаций скорости ^ при перемещении датчика термоанемометра вниз по потоку. Пульсации скорости при этом измерялись на расстоянии от поверхности пластины, где скорость составляла 0.4 что примерно соответствовало положению максимума пульсаций в ламинарной области течения.
2. Результаты исследования влияния разряда на течение в пограничном слое и на лами-нарно-турбулентный переход. На первом этапе были исследованы характеристики течения, создаваемого разрядом при отсутствии основного потока. На фиг. 2 приведены профили скорости и пульсаций, индуцируемые разрядом на расстоянии от электрода равном 18 и 78 мм. Из анализа профилей скорости следует, что разряд создает на расстоянии 18 мм струю с максимальной скоростью 1.4 м/с и характерной толщиной порядка 3 мм. По мере удаления от электрода струя быстро расширяется и тормозится до скорости 0.7 м/с, при этом уровень пульсаций скорости также уменьшается. Отношение пульсаций к максимуму скорости в сечении x = 18 мм достигает 8%, а при x =78 мм — 5%. Таким образом, барьерный разряд — источник не только наведенной скорости, но и пульсаций. Этот факт существен при выборе места положения разряда. Предварительно проведенные эксперименты показали, что наиболее благоприятное место возбуждения разряда с целью затягивания перехода — область течения, где есте-
y, мм
u, м/с
y, мм
б
■- а
•-^
0.01
0.05
0.1
u', м/с
Фиг. 2. Профили средней скорости (а) и ее среднеквадратичных пульсаций (б) в пристеночной струе, создаваемой разрядом
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.