Структура течения в условиях управления срывом потока

Смысл управления отрывом потока сводится (следуя [4]) в большинстве случаев к его предотвращению либо уменьшению размеров отрывной зоны, для чего применяются методы, основанные на различных физических принципах. Требуемый результат управления может быть получен, в частности, искусственным перемешиванием газа вблизи обтекаемой поверхности (при ламинарном отрыве приведением оторвавшегося течения в турбулентное состояние), которое увеличивает сопротивляемость течения причинам, вызывающим отрыв потока. При срыве потока с передней кромки крыла для этого используются различные устройства — турбулизаторы, разметаемые на поверхности крыла вблизи линии отрыва, и возбуждение колебаний в пристенной области течения. В числе возможных способов генерации колебаний — облучение крыла акустическими волнами. Ниже изложены результаты, в которых показано, каким образом применение указанных выше способов управления срывом потока сказывается на пространственной структуре течения.

Воздействие акустических колебаний на отрывное обтекание крыла

Впервые предотвращение срыва потока с передней кромки крыла при возбуждении акустических колебаний проводилось в представлении о двумерности течения, и был установлен физический механизм воздействия колебаний на отрывное течение [5]. В результате данный способ управления достаточно хорошо изучен.

На рис. 4 изображены схемы течения вблизи поверхности крыла, полученные в последнее время. Возбуждение в потоке пространственно-однородного акустического поля от удаленного источника колебаний вызывает присоединение оторвавшегося течения. В результате срыв потока с передней кромки сменяется отрывом турбулентного течения ниже по потоку (рис. 4, а, б). При этом обтекание крыла остается симметричным относительно его центрального сечения и вихревая структура течения соответствует той, которая формируется при турбулентном отрыве (рис. 2, г). Другая ситуация возникает, когда крыло находится не в однородном, а в

Рис. 4. Схемы течения над верхней поверхностью модели прямого крыла при различных способах акустического воздействия

сфокусированном акустическом поле. В этом случае расположение вихрей в зоне отрыва зависит от того, какая область течения подвергается воздействию. Симметрия сохраняется, когда возбуждение приложено к центральной части крыла (рис. 4, б). Если же колебания сосредоточены на краю модели, они сказываются в зоне действия одного из вихрей и не оказывают влияния в области другого вихря (рис. 4, г). Эти данные приводят к выводу, что пространственная структура течения при акустическом воздействии и результат управления срывом потока непосредственно зависят от переноса газа в поперечном направлении, несмотря на то что акустическое возбуждение колебаний оторвавшегося слоя осуществляется вблизи передней кромки крыла, а крупномасштабное вихревое движение формируется ниже по потоку. Дальнейшее исследование этого явления представляется необходимым для построения его теоретической модели и оптимального практического использования рассмотренного метода управления отрывом.

Структура течения при глобальном отрыве в присутствии источников стационарных возмущений

Топология течения при глобальном отрыве потока на прямом крыле существенно изменяется при установке вблизи его передней кромки элементов неровности поверхности различной формы. Влияние на отрывное обтекание крыла простейших в геометрическом отношении элементов — точечного и линейного, расположенного вдоль передней кромки, выступов поверхности — показано на фотографиях и схемах, интерпретирующих результаты наблюдений (рис. 5).

Рис. 5. Влияние выступов на передней кромке на картину течения на поверхности модели при срыве: а — модель без выступов, б — модель с точечным выступом, в — модель с двумя длинными выступами

Картина течения с точечным выступом, помещенным в центральном сечении модели, изображена на рис. 5, б. Вихревая структура зоны отрыва заметно усложняется по сравнению со случаем обтекания гладкого крыла (рис. 5, я и 2, д). В следе за препятствием образуются два вихря, и течение на модели делится на две части справа и слева от выступа. В каждой из них наблюдается по паре вихрей, один из которых имеет фокус у края модели, а второй — около выступа. Результат установки на обтекаемой поверхности линейных выступов показан на рис. 5, в, выступы имели длину 1/3 размаха модели каждый и располагались по краям крыла. Не приводя в данных условиях к предотвращению срыва потока, они изменяют топологию течения в отрывной области. Область отрыва делится на три части. На каждой из неровностей происходит срыв потока, и на краях выступов образуются по паре вихрей. На гладком участке поверхности крыла между выступами сохраняется часть первоначальной срывной области, и возникает пара вихрей меньшего размера с фокусами вблизи передней кромки.

Приведенные выше результаты исследований показывают, что топология трехмерного течения в области глобального отрыва потока может быть существенно изменена стационарными возмущениями — элементами неровности поверхности малой высоты, которые индуцируют в отрывной зоне дополнительные вихревые образования. Особенности трехмерной структуры течения, в свою очередь, определяют эффект, получаемый при управлении срывом потока. В частности, в экспериментах было установлено, что при комбинированном использовании элементов неровности поверхности — турбулизаторов и акустических колебаний — может происходить не полное, то есть по всему размаху крыла, а частичное присоединение оторвавшегося течения на участках поверхности крыла между отдельными выступами. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование отрывного обтекания крыльев представляет собой частную, хотя и весьма важную в практическом отношении задачу аэродинамики. Проблема отрыва потока как таковая значительно шире и включает изучение течений, возникающих в самых различных условиях. Уже получены свидетельства того, что сложный пространственный характер течения является неотъемлемым свойством областей отрыва, появляющихся и в других обстоятельствах: за острыми кромками обтекаемых тел, в окрестности уступов и выступов поверхности, на телах вращения и т. д. Дальнейшее изучение пространственных характеристик отрывных течений, вихревых структур, чувствительных к изменению условий обтекания и слабым внешним воздействиям, перспективное направление исследований, позволяющих получить более точные по сравнению с существующими представления о фундаментальных свойствах отрывных течений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Козлов В. В. Физические процессы в потоках // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №4. С. 83-90.

2. DovgalA.V., Kozlov V.V., Michalke A. Laminar Boundary-Layer Separation: Instability and Associated Phenomena //Progr. Aerospace Sci. 1994. Vol. 30. P. 61-94.

3. Бойко А.В., Довгаль А.В., Занин Б.Ю., Козлов В.В. Пространственная структура отрывных течений на крыловых профилях (обзор) //Теплофизика и аэромеханика. 1996. Т. 3, №1.С. 1-14.

4. Чжен П. Управление отрывом потока. М: Мир, 1979. 552 с.

5. Козлов В.В. Отрыв потока от передней кромки и влияние на него акустических возмущений // Прикл. механ. и техн. физика. 1985. №2. С. 112-115.

Виктор Владимирович Козлов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры аэрофизики и газовой динамики Новосибирского государственного университета, зав. лабораторией аэрофизических исследований дозвуковых течений Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН. Награжден серебряной медалью им. Н.Е. Жуковского «За лучшую работу по теории авиации» за 1992 год. Область научных интересов - экспериментальное изучение гидродинамической устойчивости течений, возникновения турбулентности, физики отрывных течений, когерентных структур в турбулентных потоках. Автор более 200 научных работ, в том числе одной монографии.

<< Предыдущая часть << В начало >>