МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА < 3 • 2008
УДК 533.6.011.55:532.5.031
© 2008 г. А. А. МАСЛОВ, С. Г. МИРОНОВ, А. Н. КУДРЯВЦЕВ, Т. В. ПОПЛАВСКАЯ,
И. С. ЦЫРЮЛЬНИКОВ
УПРАВЛЕНИЕ ВОЗМУЩЕНИЯМИ В ГИПЕРЗВУКОВОМ УДАРНОМ СЛОЕ НА ПЛАСТИНЕ НЕСТАЦИОНАРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ С ПОВЕРХНОСТИ
Приведены результаты трубного эксперимента по совместному воздействию на гиперзвуковой вязкий ударный слой на пластине (М^ = 21) периодических акустических возмущений быстрой моды внешнего потока и возмущений, генерируемых на передней кромке пластины. Продемонстрирована возможность эффективного управления интенсивностью пульсаций плотности в ударном слое пластины с помощью возмущений, вводимых с ее передней кромки. Для условий эксперимента выполнено прямое численное моделирование подавления (усиления) возмущений при одновременном воздействии на ударный слой двумерных акустических волн быстрой моды внешнего потока и источника двумерных возмущений типа вдув-отсос вблизи передней кромки пластины. Показано хорошее совпадение результатов эксперимента и расчета.
Ключевые слова: гиперзвуковые течения, вязкий ударный слой, гидродинамическая устойчивость.
Эффективное воздействие на возмущения в пограничном слое позволяет контролировать положение ламинарно-турбулентного перехода при обтекании тел потоком газа. В настоящее время известен ряд пассивных и активных методов воздействия на возмущения в сверхзвуковом и гиперзвуковом пограничном слое, обзор которых дан в [1]. При умеренных гиперзвуковых числах Маха (М = 6) наиболее эффективным методом оказалось использование звукопоглощающего пористого покрытия обтекаемого тела [2, 3]. Это объясняется тем, что при таких числах Маха в пограничном слое доминирует акустическая мода неустойчивости [4], интенсивность которой существенно подавляется звукопоглощающим покрытием. Это влияние можно отнести к пассивным методам воздействия через особенности свойств поверхности.
При движении тела в разреженной атмосфере больших высот с высокими гиперзвуковыми числами Маха (М = 20) течение на теле реализуется в виде вязкого ударного слоя. В недавних расчетно-экспериментальных исследованиях впервые показано, что при обтекании пластины при числе М = 21 в ударном слое доминирует вихревая мода возмущений как при воздействии акустических возмущений внешнего потока [5], так и при генерации возмущений внутри ударного слоя [6]. Оказалось, что пространственная структура и фазовая скорость распространения возмущений при воздействии извне и изнутри ударного слоя совпадают. Также показано, что условия на поверхности модели слабо влияют на течение и пульсационные процессы в ударном слое, что практически исключает известные методы пассивного воздействия на возмущения.
В этих условиях перспективными становятся методы активного воздействия на возмущения, хорошо апробированные для дозвуковых пограничных слоев, в частности, подавление пульсаций искусственными нестационарными возмущениями типа вдув-отсос, находящимися в противофазе с подавляемыми пульсациями [7]. Прямым численным моделированием возмущений в гиперзвуковом ударном слое на пластине для числа М = 21 потока газа и внешних акустических волн медленной моды в [8] впервые продемонстрирована возможность подавления пульсаций на границе пограничного слоя с помощью периодических возмущений типа вдув-отсос, вводимых вблизи передней кромки пластины.
Фиг. 1. Схема эксперимента: 1 - акустические волны во внешнем потоке, 2 - пластина, 3 - кососрезный свисток, 4 - форкамера сопла, 5 - усилитель, 6 - узкополосный фильтр, 7 - делитель частоты, 8 - формирователь импульса запуска электрического разряда, 9 - блок питания разряда
В данной работе для М = 21 экспериментально и прямым численным моделированием показывается принципиальная возможность управления интенсивностью пульсаций в гиперзвуковом ударном слое на пластине, порождаемых внешними акустическими волнами быстрой моды, с помощью вводимых в ударный слой контролируемых периодических возмущений.
1. Схема эксперимента и методы диагностики. Идея эксперимента проиллюстрирована на фиг. 1. В гиперзвуковом потоке создаются периодические акустические волны 1, взаимодействующие с ударным слоем на пластине 2 и порождающие в нем возмущения. Кососрезный газодинамический свисток 3, расположенный под пластиной вблизи ее носика, также вводит в ударный слой пластины периодические возмущения давления. В случае равенства частот возмущений внешнего потока и пульсаций от свистка при определенном соотношении их фаз возможно интерференционное подавление (усиление) пульсаций в ударном слое на пластине. Для наглядности на рисунке показано подавление пульсаций плотности в ударном слое на момент времени, когда возмущения от свистка прошли половину длины пластины.
Идея реализована в экспериментах на гиперзвуковой азотной аэродинамической трубе Т-327А ИТПМ СО РАН, которая представляет собой установку непрерывного действия, открытого типа со свободной струей в рабочей части, выходной диаметр сопла 220 мм. Экспериментальные условия в потоке: число Мм = 21, число Рейнольдса, вычисленное по параметрам набегающего потока и длине модели пластины Ь = 240 мм, ЯеЬ = 1.44 ■ 105. Температура торможения потока составляла Т0 = 1200 К, температурный фактор поверхности модели Т^/Т0 = 0.25.
Модель пластины толщиной 8 мм с передней острой кромкой шириной 100 мм, с углом клина 7° и задней прямо срезанной кромкой шириной 80 мм выполнена из стали Ст-45. Боковые кромки модели также острые с углом клина 20°. Температура модели Тк поддерживалась постоянной путем прокачки через нее охлаждающей жидкости и контролировалась термопарой.
Для введения в ударный слой контролируемых периодических возмущений использован цилиндрический кососрезный свисток с внутренним диаметром 4 мм, внешним диаметром 6 мм и углом среза переднего торца 40°. Принцип работы свистка описан в [9]. Задний торец свистка был заглушен пьезокерамическим датчиком пульсаций давления,
сигнал которого использовался для управления источником акустических возмущений внешнего потока и для выделения слабых сигналов на фоне широкополосного шума. Основная частота пульсаций давления в резонаторе свистка составляла 12.5 кГц, в спектре пульсаций также присутствовали более слабые по интенсивности первая (25) и вторая (37.5) гармоники колебаний.
Акустические возмущения 1 в свободном гиперзвуковом потоке аэродинамической трубы создавались мощным электрическим разрядом в форкамере сопла 4, момент начала которого определялся импульсом, синхронизованным с пульсациями давления в резонаторе свистка 3. Этим осуществлялась привязка друг к другу фазы внешних и внутренних контролируемых периодических возмущений. Электрическая блок-схема, примененная в эксперименте, также приведена на фиг. 1. Блок-схема включала в себя усилитель сигнала датчика пульсаций давления свистка 5, узкополосный фильтр для выделения основной частоты пульсаций 6, делитель частоты 7, генератор-формирователь импульсов 8, запускающих разряд, с возможностью временного сдвига относительно входящего сигнала, блок питания искрового разрядника 9 с управлением временем начала разряда и средней мощностью в разряде 30 Вт. Так как мощность единичного разряда резко возрастала с понижением частоты, то для запуска блока электрического разряда 9 использовалась низкая частота в диапазоне 2-3 кГц. Она формировалась путем деления основной частоты свистка на целое число, обычно на 5. Из-за чрезвычайно короткого времени разряда (порядка 1 мкс) в свободном гиперзвуковом потоке помимо пульсаций на основной частоте присутствовали достаточно интенсивные и слабо меняющиеся с частотой акустические пульсации на частотах гармоник вплоть до 10-й гармоники. В эксперименте по управлению пульсациями в ударном слое использовались акустические возмущения во внешнем потоке на частоте 4-й, 9-й и 14-й гармоник разряда и совпадающие с ними по частоте пульсации, создаваемые свистком на основной частоте и частоте первых двух гармоник. Разница фаз между ними могла меняться путем задержки времени формирования запускающих разряд импульсов относительно сигнала с делителя частоты.
В эксперименте методом электронно-пучковой флюоресценции азота [10] измерялись средняя плотность (р) и пульсации плотности р' в ударном слое. С целью повышения пространственного разрешения и точности измерений методика [10] была усовершенствована. В частности, измерение (р) и р' проводилось вдоль неподвижного электронного пучка аналогично методике электронно-пучковых измерений при исследовании течения в следе за телом [11]. При этом электронный пучок падал на пластину перпендикулярно ее поверхности. Для его поглощения вдоль оси пластины, заподлицо с ее поверхностью, был вставлен вкладыш шириной 15 мм из графита, имеющий очень низкий коэффициент вторичной электронной эмиссии и совпадающую со сталью Ст-45 температуропроводность. В этой схеме минимизируется эффект рассеяния диагностического пучка потоком азота и повышается пространственное разрешение измерений поперек ударного слоя. В остальном методика измерений и обработки осталась прежней. Изменение сечения проведения измерений в эксперименте осуществлялось перемещением пластины относительно диагностического пучка и в пределах 30 мм смещением пучка электронов.
Предварительно были исследованы пространственные характеристики контролируемых акустических возмущений в свободном гиперзвуковом потоке аэродинамической трубы. Для этого проводились измерения пульсаций плотности в точках вдоль электронного пучка, распространяющегося поперек свободного потока, и пульсаций давления с помощью пьезокерамического датчика, установленного ниже по потоку электронного пучка. По данным измерений взаимной амплитуды и фазы между пульсациями плотности и давления определены спектры по поперечным волновым числам. На всех частотах спектры имели узкий пик при нулевом волновом числе, что свидетельствует о том, что в потоке распространялись плоские волны с высокой степенью пространственной когерентности. Согласно теореме Ван Циттера-Цернике пространствен-
ная когерентность волн - следствие малости углового размера удал
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.