Возбуждение одиночных волновых пакетов в сверхзвуковом пограничном слое

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возбуждение одиночных волновых пакетов в сверхзвуковом пограничном слое

А.А. Яцких

Ю.Г. Ермолаев

В экспериментальных исследованиях устойчивости пограничных слоев часто используют различные методы введения искусственных возмущений в поток. Это позволяет изучить различные волновые пара-метры распространения и развития возмущений, таких как скорость, фаза, амплитуда и направление, что позволяет проверять, уточнять и развивать существующую теорию. К настоящему времени развито большое количество различных методов введения контролируемых возмущений в дозвуковой пограничный слой [1]. зажигание волновой высокочастотный

В исследованиях сжимаемых течений методы возбуждения контро-лируемых пульсаций также нашли широкое применение. Наиболее эф-фективным способом введения в сверхзвуковой пограничный слой вы-нужденных колебаний оказался тлеющий разряд, зажигающийся с большой частотой. Подтверждением этого могут служить эксперимен-тальные работы по изучению линейного и слабонелинейного развития волн неустойчивости в сверхзвуковом пограничном слое [2, 3].

Однако применение высокочастотных периодических контроли-руемых возмущений не позволяет изучать одиночные локализованные по пространству и времени возмущения (волновые пакеты), тогда как это представляет научный интерес. Недавние успехи в изучении позд-них стадий перехода при малых дозвуковых скоростях связаны с разви-тием методики возбуждения волновых пакетов. Возбуждение локализо-ванных возмущений позволило получить и подробно исследовать раз-личные структуры. С помощью локализованных возмущений удалось ввести, например, локализованный пакет волн Т-Ш, «пафф»-структуры [4], одиночные лямбда структуры [5] и т.д. В исследованиях при гипер-звуковых скоростях метод одиночных волновых пакетов активно разви-вается. В работах американских исследователей [6] удалось ввести одиночные локализованные волновые пакеты и проследить за их эволюцией в пограничном слое сопла. Развиваясь вниз по потоку, волновые пакеты преобразовывались в одиночные турбулентные пятна.

Данная работа посвящена разработке метода возбуждения одиночных волновых пакетов в сверхзвуковых пограничных слоях и изучение их развития.

Рис. 1. Схема импульсного зажигания разряда.

В связи с успешным опытом использования тлеющего разряда для возбуждения высокочастотных контролируемых возмущений в сверх-звуковом пограничном слое была разработана схема импульсного за-жигания тлеющего разряда. Принципиальная схема представлена на рис. 1. В схеме предусмотрена возможность изменения мощности разряда с помощью переменного сопротивления R?. Создана схема синхронизации измерений термоанемометром с зажиганием разряда. В работе использовались две различных катушки зажигания. Первая являлась автомобильной катушкой зажигания заводской сборки с индуктивностями первичной обмотки 2 мГн и вторичной обмотки 16 Гн. Вторая катушка зажигания была намотана на тороидальном ферритовом стержне. Индуктивность первичной обмотки - 0,2 мГн, вто-ричной - 0,5 Гн.

Экспериментальные исследования развития волновых пакетов вы-полнены в сверхзвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе Т-325 ИТПМ СО РАН. В качестве экспериментальной модели использовалась плоская стальная пластина с острой кромкой, установленной под нулевым углом атаки. Источником контролируемых одиночных возмущений являлся поверхностный разрядник, схема которого представлена на рис. 2. Источник состоит из цилиндрической вставки изолятора диаметром 8 мм и двух медных электродом диаметром 0.9 мм. Центры электродов располагались по линии, перпендикулярной передней кромки, на расстоянии 1.8 мм друг от друга. Минимальное межэлектродное расстояние составляло 0.9 мм. К электродам подводились импульсы высокого напряжения со схемы импульсного зажигания.

Рис. 2. Источник контролируемых возмущений. 1 - электроды; 2 - изолятор.

а б

Рис. 3. Осциллограммы пульсаций разных значениях тока, введенных автомо-бильной катушкой (а) и тороидальной (б).

Измерения возмущений в сверхзвуковом потоке выполнялись с по-мощью термоанемометра постоянного сопротивления (ТПС). Датчик термоанемометра изготавливался из вольфрамовой нити диаметром 10 мкм. Постоянная составляющая напряжения с выхода термоанемометра измерялась с помощью цифрового вольтметра. Пульсационный сигнал оцифровывался 12 разрядным АЦП с частотой дискретизации 1.25 МГц. Для выделения контролируемых возмущений из «естественного фона» использовалось синхронное осреднение сигнала по 320 реализациям.

На рис. 2(а) и 2(б) показаны осциллограммы пульсаций, зарегист-рированных при различных токах в первичной обмотке, для автомо-бильной и тороидальной катушки зажигания соответственно. Волновые пакеты имели разные временные и пространственные масштабы. Сила тока в первичной обмотке влияет на амплитуду вводимых возмущений.

Созданная методика позволяет возбуждать одиночные волновые пакеты различной длительности и амплитуды в сверхзвуковом погра-ничном слое. Изучение развития волновых пакетов показало, что волно-вой пакет уширяется в трансверсальном направлении. Углы расплыва-ния волновых пакетов, возбуждаемых с помощью различных катушек зажигания, значительно различаются. В случае автомобильной катушки полуугол уширения в поперечном направлении составляет примерно 10, тогда как в случае возбуждения тороидальной катушкой зажигания, полуугол равен приблизительно 5. При этом скорости распространения волновых пакетов различной длительности и амплитуды оказались близки. Скорость распространения заднего фронта одиночных возмущений составляет Vз.ф.»0.3ё0.4*VҐ; центра пакета Vц.п.»0.6ё0.7*VҐ; заднего фронта Vз.ф.»0.3ё0.4*VҐ. Анализ показал, что в случае кратковременного зажигания тлеющего разряда спектральный состав волнового пакета более высокочастотный, чем в случае возбуждения возмущений более длительным разрядом.

Список литературы

1. Бойко А. В., Грек Г. Р., Довгаль А. В.,Козлов В. В. Физические механизмы перехода к турбулентности в открытых течениях. М.; Ижевск, 2006. 304 с.

2. Kosinov A. D., Maslov A. A., Shevelkov S. G. Experiments on Stability of Supersonic Boundary Layers // J. Fluid Mech. 1990. Vol. 219. P. 621-633.

3. Kosinov A.D., Semionov N.V., Shevelkov S.G., Zinin O.I. Experiments on the nonlinear instability of supersonic boundary layers.// In Nonlinear Instability of Nonparallel Flows. Springer-Verlag, 1994, P. 196-206.

4. Чернорай В.Г., Грек Г.Р., Катасонов М.М, Козлов В.В. Генерация локализован-ных возмущений вибрирующей поверхностью // Теплофизика и аэромеханика, 2000, том 7, № 3, стр. 339 - 352

5. Грек Г. Р., Катасонов М. М., Козлов В. В., Чернорай В. Г. Экспериментальное исследование механизма вторичного высокочастотного разрушения Л-структуры // Теплофизика и аэромеханика. 1999. Т. 6, № 4. С. 445-460.

6. Casper K., Beresh S., Schneider S. Pressure Fluctuations Beneath Turbulent Spots and Instability Wave Packets in a Hypersonic Boundary Layer. // 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition 4 - 7 January 2011, Orlando, Florida.

Размещено на Allbest.ru