Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям

На правах рукописи

Чимытов Тимур Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГИПЕРЗВУКОВОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ НА СТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2012

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук Бунтин Дмитрий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Косинов Александр Дмитриевич кандидат физико-математических наук Судаков Виталий Георгиевич

Ведущая организация:

Московский физико-технический институт (государственный университет)

Защита состоится л 20 апреля 2012 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим высылать по адресу: Ученому секретарю диссертационного совета Д003.035.02, ИТПМ им. С. А. Христиановича СО РАН, 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

Автореферат разослан л___ __________ 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, д.т.н. И.М. Засыпкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При разработке перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) инженерам и конструкторам приходится решать ряд проблем, тесно связанных с возникновением турбулентности в пограничном слое. Переход течения от ламинарного к турбулентному режиму сопровождается резким ростом тепловых потоков, что может привести к гибели ГЛА, а также ростом сопротивления трения. Таким образом, в целях создания надежного и экономически эффективного ГЛА становятся критически важными исследования механизмов ламинарно-турбулентного перехода, прежде всего, в целях возможности его затягивания.

В настоящее время считается, что возникновение турбулентности связано с потерей устойчивости пограничного слоя по отношению к собственным волнам неустойчивости, возникающих в результате восприимчивости пограничного слоя к возмущениям во внешней среде. Далее, развиваясь в пограничном слое согласно линейной теории устойчивости, волны неустойчивости начинают участвовать в нелинейном взаимодействии. На этом этапе за счет нелинейных механизмов происходит перераспределение энергии в спектре волн и турбулизация изначально ламинарного течения. Описанный механизм перехода справедлив, по крайней мере, для малых начальных амплитуд волн неустойчивости.

При до- и сверхзвуковых скоростях потока существуют разные типы неустойчивости: первая мода (неустойчивость типа волн Толлмина - Шлихтинга), неустойчивость Гёртлера, неустойчивость поперечных течений. Особенностью гиперзвуковых пограничных слоев является появление нового типа неустойчивых волн - акустической моды (вторая мода), ненаблюдаемой при до- и сверхзвуковых скоростях. При этом вторая мода является наиболее неустойчивой в пограничном слое, начиная с М 4,5 для адиабатических поверхностей.

Все известные методы управления ламинарным течением разрабатывались применительно к до- и сверхзвуковым скоростям с целью подавления возмущений первой моды. Однако известно, что при обтекании ГЛА гиперзвуковым потоком первая мода естественным образом стабилизируется за счет низкого температурного фактора. Кроме того, оптимизация формы ГЛА позволяет устранить неустойчивости Гёртлера и поперечных течений. Вдобавок относительно малые притупления носовой части и передних кромок ГЛА снижают вероятность раннего перехода за счет их абляции и шероховатости. Таким образом, доминирующей неустойчивостью становится вторая мода. Как следствие, применение в реальных полетных условиях методов, основанных на стабилизации второй моды, может приводить к существенному затягиванию перехода.

ишь в течение последнего десятилетия были предложены методы ламинаризации, основанные на подавлении возмущений второй моды с помощью структурированных покрытий - пористых и волнистых. Было экспериментально показано, что стабилизация второй моды при помощи, например, пористого покрытия позволяет увеличить протяженность ламинарного участка обтекания конуса почти в два раза. Эти методы не предполагают применения сложных электромеханических систем, введения серьезных конструкционных изменений аппарата, дополнительных источников энергоподвода и поэтому являются крайне перспективными с точки зрения применения их в реальных полетных условиях.

Однако экспериментальных работ, посвященных исследованию механизмов ламинаризации на структурированных поверхностях моделей, выполнено к настоящему времени мало. Известны единичные экспериментальные работы, посвященные исследованию нелинейных механизмов, приводящих к ламинарно-турбулентному переходу на пористых покрытиях. Полученные в этих работах данные нуждаются в дальнейшей экспериментальной проверке и подтверждении. Экспериментальных исследований процессов ламинаризации на волнистых покрытиях не было проведено до сих пор.

Цель работы:

- получение новых экспериментальных данных о нелинейных процессах, протекающих по всей толщине пограничного слоя на пористых покрытиях;

- экспериментальное подтверждение концепции управления ламинарнотурбулентным переходом при помощи волнистых покрытий;

- получение экспериментальных данных об устойчивости пограничного слоя на волнистых покрытиях и нелинейных аспектах перехода.

Научная новизна:

впервые выполнено комплексное экспериментальное исследование нелинейных процессов в гиперзвуковом пограничном слое на структурированных поверхностях. Получен ряд новых данных о механизмах нелинейных взаимодействий волн возмущений, приводящих, в конечном итоге, к ламинарнотурбулентному переходу;

впервые проведена экспериментальная верификация эффективности пассивного метода управления ламинарно-турбулентным переходом при помощи волнистых покрытий. Получены детальные данные о влиянии волнистой стенки модели на развитие возмущений в пограничном слое.

Научная и практическая ценность. Исследование течения над структурированными поверхностями (пористыми, волнистыми) напрямую сопряжено с проектированием ГЛА. Так, реальная теплозащита многоразовых челноков (типа шаттл - буран) является пористой, а тепловые нагрузки на гиперзвуковой аппарат могут привести к абляции поверхности аппарата. Поэтому исследование того, как видоизменяется течение над пористыми или волнистыми поверхностями, крайне важно для проектирования ГЛА. Кроме того, полученные результаты дают возможность разработки и усовершенствования методов пассивного управления ламинарно-турбулентным переходом для ГЛА.

Достоверность результатов. В работе использовалась отработанные методики экспериментального исследования. Для повышения точности и достоверности данных измерений были применены современные методы сбора, накопления, выделения и обработки слабых сигналов на фоне интенсивного широкополосного шума. Снижение случайных ошибок достигалось в многократно повторяющихся измерениях. Достоверность подтверждена хорошим совпадением полученных данных с результатами других авторов и численными расчетами в сходных областях параметров.

На защиту выносятся:

- результаты биспектрального и статистического анализа влияния пористых покрытий конусов на нелинейные взаимодействия в гиперзвуковом пограничном слое;

- результаты экспериментального исследования влияния волнистой стенки модели на устойчивость гиперзвукового пограничного слоя;

- результаты биспектрального анализа влияния волнистой поверхности пластины на нелинейные взаимодействия в гиперзвуковом пограничном слое.

Апробация работы Основные материалы и результаты исследований автора докладывались и обсуждались на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, а также на следующих всероссийских и международных конференциях: Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR 2008, Новосибирск), Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (2009, Кемерово; 2010, Волгоград), конференции ФУстойчивость и турбулентность гомогенных и гетерогенных жидкостейФ (2008, 2010, Новосибирск), VII Всероссийской конференции молодых ученых Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии (2009, Новосибирск), Международной студенческой конференции Студент и научно-технический прогресс (2008, 2011, Новосибирск), Международной конференции AIAA (2012, Nashville).

ичный вклад автора Автор участвовал в постановке задач численных и экспериментальных исследований, подготовке экспериментов и их проведении. Им созданы алгоритмы и программы обработки данных экспериментов, выполнена обработка результатов всех измерений. Совместные результаты представлены с согласия соавторов.

Публикации По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК. Список публикаций представлен в конце автореферата.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 111 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 121 страницу, включая 54 иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель исследований, выделяется научная новизна, приводятся выносимые на защиту результаты, кратко описана структура диссертации.

В первой главе приводится краткий обзор литературных данных по теоретическому и экспериментальному исследованию линейной и нелинейной стадии ламинарно-турбулентного перехода, а также по методам управления.

Выполненный в диссертации анализ работ по рассматриваемой проблеме, представленных на крупнейших международных конференциях и опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах, определяет вектор направления необходимых исследований. Несмотря на достигнутые успехи как в теоретических, так и экспериментальных исследованиях устойчивости гиперзвукового пограничного слоя, нет полного понимания механизмов ламинарнотурбулентного перехода. Нелинейная стадия ламинарно-турбулентного перехода при гиперзвуковых скоростях потока исследована крайне слабо. Экспериментальные исследования в этой области единичны и носят лишь качественный характер. Активность работ в области исследования возможностей управления ламинарно-турбулентным переходом при гиперзвуковых скоростях ЛА невелика. Большинство известных методов управления переходом разрабатывались применительно к до- и сверхзвуковым скоростям с целью подавления возмущений первой моды, что делает их неэффективными при гиперзвуковых скоростях. Методы, основанные на стабилизации возмущений второй моды при помощи структурированных покрытий, предложены относительно недавно и нуждаются в углубленных экспериментальных исследованиях.

Во второй главе приводится описание экспериментального оборудования, устройств и методов для исследования устойчивости гиперзвукового пограничного слоя и нелинейных процессов, протекающих в нем.

В п.2.1 дано описание гиперзвуковых аэродинамических труб: Т-326, АТ-303 (ИТПМ СО РАН) и установки Транзит-М, в которых проводились эксперименты данной работы. Т-326 является установкой периодического действия, выполненной по прямоточной баллонной схеме. Эксперименты в данной трубе выполнялись при числе Маха М = 5,95. Гиперзвуковая аэродинамическая труба АТ-303 является импульсной установкой, рассчитанной на диапазон чисел Маха 820. Измерения проводились при М = 11,6. Гиперзвуковая аэродинамическая труба Транзит-М также является установкой кратковременного действия. Исследования на данной трубе выполнялись при М = 6.

В п.2.2 приводятся описания экспериментальных моделей. При исследованиях нелинейных процессов в пограничном слое на пористых покрытиях использовались модели конуса. Модели конуса представляли собой стальные конуса с углом полураствора 7 со сменными носиками с различными радиусами притупления, часть поверхности конуса - пористая с регулярной и нерегулярной микроструктурой. При исследованиях на волнистых поверхностях использовалась модель пластины. Угол клина передней кромки 20, боковых кромок - 30. Часть поверхности пластины - волнистая.

В п.2.3 описывается методика измерений средних и пульсационных характеристик потока. Описывается методика получения средних и пульсационных характеристик течения при помощи термоанемометра. Приведены технические характеристики датчиков давления PCB, при помощи которого измерялись пульсации давления на стенке модели.

Описана принципиальная схема работы датчиков ALTP. Активная поверхность датчика состоит из чередующихся слоев двух типов полупроводников. Благодаря эффекту Зеебека между слоями полупроводников при перепаде температуры создается разность потенциалов. Таким образом, активную поверхность можно представить как линейку термопар, последовательно соединенных между собой. Поскольку тепловой поток прямо пропорционален перепаду температур между верхней и нижней поверхностью ALTP-пленки, то сигнал датчика прямо пропорционален тепловому потоку. Высокое частотное разрешение датчика обеспечивается небольшой толщиной пленки: от 0, до 1 мкм.

В п. 2.4 описываются системы автоматизации экспериментов.

В п. 2.5 дается методика обработки данных, полученных при помощи датчиков термоанемометра, PCB и ALTP: оценка степеней роста амплитуд пульсаций, статистический и биспектральный анализ.

dAf Коэффициенты роста вдоль модели определяются как: -i = dR , 2Af где Af - фурье-амплитуда сигнала, R = Reex, Reex - число Рейнольдса, рассчитанное по значениям на границе пограничного слоя и расстоянию от носика модели. В экспериментальных исследованиях используется двухточечная форln(A1 A2) мулировка коэффициентов роста: -i =, где A1 и A2 - амплитуды 2(x1 - x2) спектров пульсаций, измеренные на двух последовательно расположенных вдоль модели датчиках; x1 и x2 - координаты положения датчиков от передней кромки модели.

Для определения эффектов нелинейности можно воспользоваться тем фактом, что если сигнал с гауссовским распределением пропустить через нелинейный преобразователь, то на выходе получится сигнал с распределением, отличающимся от гауссовского. Для определения нормальности распределения полученных данных, рассчитывались коэффициенты асимметрии и эксцесса. Если n n 1 1 xi дискретный сигнал, то x = xi - среднее значение; 2 = xi - x - дис= = = = = = ( - ) ( - ) ( - ) ( ) n n i=1 i== = = = = = n 1 k персия или центральный момент 2го порядка; mk = xi - x - центральный = = = ( - ) ( - ) ( - ) ( ) n i== = = момент k-го порядка. Тогда коэффициент асимметрии S = m3/3, коэффициент эксцесса K = m4/4. Для нормального распределения S = 0, K = 3.

Для того, чтобы не только выявить эффект нелинейности, но и определить, какие волны являются нелинейно-связанными, а также найти степень этой связи, применяется биспектральный анализ (Kimmel R. L., Kendall J. M., 1991), основные определения которого даны ниже: Е{} обозначает функцию математи= = = ческого ожидания; P f = c2 k ei2 fk = E{X*(f)X(f)} - спектр мощности, где ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) k с2 = E{x*(n)x(n+k)} - момент второго порядка, X(f) - фурье-преобразование сигнала x(n), * - комплексное сопряжение. Момент третьего порядка в общем случае записывается как с3(k,l) = E{x*(n)x(n+k)x(n+l)}, взяв от него + + + ( ) ( ) ( ) фурье-преобразование получим биспектр: В(f1, f2) = c3 k,l ei2( f1k+ f2l) = ( ) ( ) ( ) ( ) k,l E{X*(f1+f2)X(f1)X(f2)}. Биспектр обладает рядом свойств симметрии: В(f1, f2) = В(f2, f1) = В(f1, - f1 - f2) = В(Цf1 Цf2, f2) = В*(Цf1, Цf2). Благодаря данным свойствам, достаточно знать его значение в треугольнике (0, 0), (fN, 0), (fN/2, fN/2), где fN - частота Найквиста. Кроме того, нужно отметить, что если распределение пульсаций имеет гауссовское распределение, то его биспектр будет равным нулю для всех частот. Амплитуда биспектра зависит от амплитуды волн, поэтому его обычно нормируют на спектр мощности, получая спектр бикогерентности:

bic2(f1, f2) = |В(f1, f2)|2/(Р(f1)Р(f2)Р(f1+f2)). Амплитуда бикогерентности ограничена 0 (что соответствует совершенно независимым волнам) и 1 (что соответствует полностью связанным волнам). Таким образом, если на графике бикогерентности наблюдается пик на пересечении частот (f1, f2), это означает, что нелинейно-связанными являются волны с частотами f1, f2, f3= f1 f2 (чтобы определить знак, необходимо рассматривать спектры пульсаций).

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования нелинейных процессов в гиперзвуковом пограничном слое на пористой стенке конуса с регулярной и нерегулярной микроструктурой (рис. 1, стенка не проницаемая). Приводятся сравнения с результатами исследований на сплошной стенке конуса.

В п. 3.1 приводятся результаты термоанемометрических измерений, выполненных в экспериментах на установке Т-326 при М = 5,95 и Re1 = 11,9106 мЦ1.

В качестве модели использовался остроконечный конус с частичным микропористым покрытием с регулярной микроструктурой. Данные получены при помощи термоанемометра. Измерения проводились поперек пограничного слоя по y в трех различных сечениях по продольной координате x: x = 209, 245 и 315 мм от пористая стенка c регулярной носика конуса на сплошной поверхности;

(нерегулярной) микроструктурой x = 181, 251 и 322 мм на пористой по7 верхности. Это соответствовало параметру, равному корню из числа Рейнольдса 178 (70) ( R = Reex ): R = 1820, 1970 и 2230 на 500 (1027) сплошной поверхности; R = 1694, 1994 и Рис. 1. Схематичное изображение 2255 на пористой поверхности.

модели конуса.

Рис. 3. Сравнение распределений среднего напряжения на датчике термоанемометра.

а - сплошная стенка;

б - пористая стенка.

Сравнение распределений среднего напряжения на датчике термоанемометра, а также среднеквадратичных пульсаций поперек пограничного слоя на пористой и сплошной стенке конуса позволяет предположить, что формирование турбулентного пограничного слоя на пористой стенке задерживается по отношению к процессу формирования на сплошной стенке. На это указывает то, что в пограничном слое на сплошной стенке в крайнем от носика конуса сечении в профилях среднего напряжения нарушается автомодельность (x = 315 мм, рис. 2). Кроме того, на сплошной стенке в этом же сечении происходит смещение слоя максимальных пульсаций (критического слоя) к поверхности конуса, что характерно для процессов формирования турбулентного пограничного слоя (рис. 3).

В п. 3.2 приведены результаты статистического анализа данных, полученных в тех же экспериментах, что и в предыдущем параграфе. На сплошной и пористой стенке конуса при смещении вниз по течению коэффициенты эксцесса и асимметрии все больше отклоняются от нормальных значений (от значений, соответствующих распределению Гаусса), свидетельствуя о росте интенсивности нелинейных процессов в пограничном слое. Наконец, в последнем Рис. 2. Сравнение распределений среднеквадратичных пульсаций поперек пограничного слоя.

а - сплошная стенка;

б - пористая стенка.

Рис. 4. Распределение коэффициентов эксцесса и асимметрии.

а - сплошная стенка, x = 315 мм;

б - пористая стенка, x = 322 мм.

Стрелками указаны границы, до которых значения S и K отличаются от нормальных (S = 0, K = 3).

измеряемом сечении область отклонения статистических коэффициентов от нормальных значений выходит за границу пограничного слоя (рис. 4). Выход нелинейных процессов в область свободного течения указывает на формирование турбулентного пограничного слоя. Однако высота, до которой простирается область нелинейных процессов, в случае сплошной стенки конуса лежит несколько выше. Это подтверждает вывод об отставании в развитии формирования турбулентного пограничного слоя на пористой стенке.

В п. 3.3 при помощи биспектрального анализа исследуются нелинейные взаимодействия волн в пограничном слое на пористой и сплошной стенке конуса. Показано развитие нелинейных процессов вниз по течению на различных высотах пограничного слоя.

На сплошной стенке уже в первом сечении присутствуют слабые по интенсивности нелинейные взаимодействия волн в низкочастотной части спектра (х = 209 мм, R = 1820). Нелинейные взаимодействия на пористой стенке конуса в первом измеряемом сечении (х = 181 мм, R = 1694) не наблюдаются. Ниже по потоку на сплошной стенке конуса при x = 245 мм (R = 1970) помимо низкочастотных взаимодействий начинают появляться области нелинейных взаимодействий волн, частоты которых лежат на линии: f1 + f2 = fII 290 кГц, где fII - частота второй моды (рис. 5, а). Нелинейные взаимодействия, наблюдаемые вдоль этой линии, соответствуют субгармоническому резонансному взаимодействию волн второй моды и их субгармоник с расстройкой. Данное взаимодействие является основным в слое максимальных пульсаций на ранней стадии нелинейных взаимодействий. Поскольку частота субгармоники второй моды лежит в области, соответствующей пульсациям первой моды, то здесь, вероятно, происходит межмодовое взаимодействие. Наиболее интенсивные процессы на сплошной стенке протекают в критическом слое. В то же время на пористой стенке нелинейные процессы в сечении x = 251 мм (R = 1994) протекают существенно менее интенсивно, и субгармонический резонанс выражен слабо (рис. 5, б). Это подтверждает вывод, сделанный в других работах, о подавлении основного для сплошной поверхности механизма нелинейных взаимодействий Рис. 5. Сравнение спектров бикогерентности в критическом слое.

а - сплошная стенка, x = 245 мм; б - пористая стенка, x = 251 мм. Сверху от диаграмм показаны фурье-спектры; 1 - первая мода (fI 125 кГц); 2 - вторая мода (fII 290 кГц).

пористым покрытием. Наиболее интенсивные нелинейные процессы на пористой стенке протекают вне критического слоя преимущественно в низкочастотной области спектра. Интенсивность взаимодействий в этой области спектра при этом значительно выше, чем в случае сплошной стенки, что, скорее всего, связано с неустойчивостью первой моды на пористых покрытиях (рис. 6).

В последних измеряемых сечениях х = 315 мм (R = 2230) и х = 322 мм (R = 2255) на сплошной и пористой стенке соответственно нелинейные процессы приобретают схожий характер: на обеих стенках происходит заполнение спектров бикогерентности в диапазоне вплоть до частоты второй моды с той лишь разницей, что интенсивность процессов на сплошной стенке несколько выше (рис. 7, а, б). Кроме того, как на пористой, так и на сплошной стенке нелинейные взаимодействия выходят за границу пограничного слоя. Как уже было показано при помощи статистического анализа (п. 3.2), нелинейные процессы на пористой поверхности затухают на меньшей высоте, чем на сплошной Рис. 6. Сравнение спектров бикогерентности вне критического слоя.

а - сплошная стенка, x = 245 мм; б - пористая стенка, x = 251 мм.

1 - первая мода (fI 125 кГц).

Рис. 7. Сравнение спектров бикогерентности.

а, в - сплошная стенка, x = 315 мм; б, г - пористая стенка, x = 322 мм.

поверхности. Биспектральная оценка интенсивности нелинейных процессов также указывает на этот вывод: по диаграммам на рис. 7, в, г видно, что на сплошной стенке на высоте y/ = 1,49 мм все еще присутствуют нелинейные процессы в отличие от случая пористой стенки.

В п. 3.4 при помощи бискпетрального анализа рассматриваются нелинейные взаимодействия на конусе с пористым покрытием нерегулярной микроструктуры при различных радиусах притупления носика. Эксперименты были выполнены на установке АТ-303 при числе Маха набегающего потока М = 8 и числах Рейнольдса Re1 = 4,4, 5,2 и 6,5 106 мЦ1. Данные получены при помощи датчиков ALTP, расположенных в задней части модели (x = 972 мм от остроконечного носика).

При остром носике наблюдается турбулентное течение на обеих стенках во всех реализуемых в эксперименте режимах течения. При этом высокочастотные пульсации (свыше 100 кГц) на пористой стенке подавлены относительно случая сплошной стенки. С увеличением радиуса притупления носика (r = 2 мм) на пористой стенке при Re1 = 4,4106 мЦ1 течение входит в зону ламинарнотурбулентного перехода. В фурье-спектре наблюдается вторая мода (fII 130 кГц, рис. 8, б). В спектре бикогерентности наблюдается рост интенсивности нелинейных взаимодействий в низкочастотной части спектра по сравнению Рис. 8. Сравнение спектров бикогерентности при радиусе притупления r = 2 мм.

а - сплошная стенка (турбулентное течение); б - пористая стенка (переходное течение).

со случаем сплошной стенки, при котором течение по-прежнему турбулентное (рис. 8, а). Кроме того, появляются взаимодействия между высокочастотными (свыше 140 кГц) и низкочастотными возмущениями. Однако таких нелинейных механизмов, как субгармонический и гармонический резонансы второй моды, в данном случае не наблюдаются, что связано со стабилизирующим влиянием пористого покрытия на возмущения второй моды.

При дальнейшем увеличении радиуса притупления носика (r = 4 мм) при Re1 = 5,2106 мЦ1 течение входит в зону ламинарно-турбулентного перехода уже на сплошной стенке. В фурье-спектре появляется вторая мода на частоте приблизительно 110 кГц (рис. 9, а). В спектре бикогерентности наблюдается усиление взаимодействий в низкочастотной части спектра так же, как это было в случае пористой стенки при меньшем радиусе притупления носика. Однако, в отличие от предыдущего случая, на сплошной стенке наблюдается гармонический Рис. 9. Сравнение спектров бикогерентности при радиусе притупления r = 4 мм.

а - сплошная стенка; б - пористая стенка.

резонанс: (f1, f2) = (fII, fII), f3 = 2fII. На пористой стенке при этом радиусе притупления течение становится ламинарным: в спектрах присутствуют только низкочастотные пульсации, наличие которых связано с высоким уровнем шума установки АТ-303; спектры бикогерентности указывают на то, что нелинейные процессы практически отсутствуют (рис. 9, б).

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования развития возмущений в гиперзвуковом пограничном слое на волнистой стенке пластины.

В п. 4.1 приведены основные параметры течения, реализуемые в эксперименте. Эксперименты проводились в установке Транзит-М при М = 6 и при нескольких значениях единичного 2числа Рейнольдса Re1 = 4,8; 6,2;

19,3; 11,3; 12,4 и 14 106 мЦ1. Изме1рения проводились при помощи датчиков PCB и ALTP. В качестве 1,8 модели использовалась пластина с острой кромкой, схематичное изображение которой показано на ALTP#1 PCB ALTP#5 ALTP#рис. 10.

В п. 4.2 приведены спектры Рис. 10. Схематичное изображение модели.

пульсаций, измеренные датчиками PCB и ALTP. Показано, что во всем измеряемом диапазоне числа Рейнольдса амплитуда второй моды на волнистой стенке пластины и за ней существенно меньше, чем на гладкой стенке (рис. 11). Помимо возмущений второй моды в спектрах на волнистой стенке (PCB) и за волнистой стенкой (ALTP, x = 165 мм) наблюдаются пики на частоте приблизительно 80 кГц. Эти пики соответствуют возмущениям, возникающим вследствие влияния волнистости на среднее течение. На рис. 12 показана шлирен-фотография, на которой видны волны Маха, модулирующие течение на пластине. Ниже по потоку в положении x = 185 мм такие возмущения затухают. В самом крайнем положении от передней кромки (x = 245 мм) наблюдаются турбулентные спектры. Однако Рис. 11. Спектры пульсаций.

а - PCB; б - ALTP.

Рис. 12. Шлирен-визуализация потока.

амплитуды пульсаций в этом положении за волнистой стенкой ниже амплитуд на гладкой стенке.

В п. 4.3 вычислены степени роста возмущений на гладкой стенке и за волнистой стенкой пластины. Показано, что возмущения второй моды за волнистой стенкой растут существенно медленнее, чем в случае гладкой стенки (рис. 13). С другой стороны, низкочастотные возмущения растут несколько быстрее, что вероятно связано с дестабилизирующим влиянием волнистости Рис. 13. Сравнение степеней роста возмуна возмущения первой моды. Однащений на гладкой стенке и за волнистой ко значения степеней роста для этих стенкой.

возмущений не превышает значений для возмущений второй моды.

В п. 4.4 при помощи биспектрального анализа показано, что нелинейные процессы за волнистой стенкой пластины значительно менее развиты, чем в случае сплошной стенки. На рис. 14 приведено сравнение спектров бикогерентности для гладкой и волнистой стенки при x = 185 мм, R = 1446. В отличие от Рис. 14. Сравнение спектров бикогерентности при x = 185 мм (R = 1446).

а - гладкая стенка; б Цволнистая стенка.

случая сплошной стенки, гармонический резонанс за волнистой стенкой пластины практически отсутствует. Кроме того, взаимодействия второй моды с низкочастотными возмущениями здесь существенно менее интенсивны.

В заключении приводятся основные выводы.

Выполнено экспериментальное исследование влияния структурированных покрытий на процессы развития возмущений в гиперзвуковом пограничном слое. Получены дополнительные данные о развитии возмущений на нелинейной стадии ламинарно-турбулентного перехода на пористом покрытии конуса.

Впервые получены экспериментальные данные о развитии возмущений в гиперзвуковом пограничном слое на волнистой поверхности пластины.

Показано, что:

- процесс формирования турбулентного пограничного слоя на пористой поверхности отстает в развитии от случая сплошной поверхности;

- нелинейные процессы в пограничном слое на сплошной и пористой поверхностях конуса имеют схожий характер, однако имеют свои особенности.

Ключевая особенность этих процессов на пористой поверхности конуса состоит в том, что нелинейные взаимодействия в слое максимальных пульсаций сильно ослаблены, что связано с подавлением возмущений второй моды;

- задержка в развитии нелинейных процессов на пористой поверхности при их схожести со случаем сплошной поверхности может указывать на то, что субгармонический резонанс, вызванный возмущениями второй моды, является катализатором при передаче энергии от среднего течения к низкочастотным возмущениям в процессе перехода, аналогично тому, как это происходит в дозвуковом пограничном слое.

- параметрическое исследование устойчивости пограничного слоя на волнистой поверхности пластины показывает, что возмущения второй моды за волнистой поверхностью растут существенно медленнее, чем в случае сплошной поверхности. С другой стороны, низкочастотные возмущения за волнистой поверхностью, наоборот, имеют большие значения степени роста.

Однако, несмотря на это, на турбулентном участке течения амплитуды турбулентных спектров за волнистой поверхностью остаются ниже амплитуд на гладкой поверхности;

- исследование нелинейных процессов, протекающих в пограничном слое за волнистой поверхностью, показывает, что их интенсивность за волнистой поверхностью существенно ниже, чем в случае гладкой поверхности.

Таким образом, следует ожидать, что при помощи волнистости возможно управление ламинарно-турбулентным переходом при гиперзвуковых скоростях потока.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Бунтин Д.А., Маслов А.А., Шиплюк А.Н., Чимытов Т.А. Статистический анализ нелинейных взаимодействий возмущений на пористой поверхности в гиперзвуковом пограничном слое // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2009. Т. 4. № 3. С. 43-49.

2. Бунтин Д.А., Маслов А.А., Шиплюк А.Н., Чимытов Т.А. Биспектральный анализ нелинейных процессов в гиперзвуковом пограничном слое на пористой поверхности конуса // Изв. РАН. МЖГ. 2010. № 3. С. 84-90.

3. Bountin D., Chimitov T., Maslov A., Novikov A., Egorov I., Fedorov A. Stabilization of a hypersonic boundary layer using a wavy surface: AIAA paper, No. 2012-1105. 20Другие публикации:

1. Бунтин Д.А., Чимытов Т.А. Анализ нелинейных процессов в пограничном слое на пористой поверхности // Устойчивость и турбулентность гомогенных и гетерогенных жидкостей: Докл. Молодежной конф. Вып. XI / Под ред.

В.В. Козлова. Новосибирск: Параллель, 2008. С. 79-82.

2. Чимытов Т.А. Исследование влияния пористости на нелинейные процессы в гиперзвуковом пограничном слое острого конуса // Материалы XLVI Международной научной студенческой конференции Студент и научнотехнический прогресс. Новосибирск: НГУ, 2008. С. 115.

3. Bountin D.A., Maslov A.A., Shiplyuk A.N., Chimytov T.A. Influence of porosity on nonlinear processes in hypersonic boundary layer // International Conference on the Methods of Aerophysical Research: Proc. Section IV. Hypersonic Flows and Shock Waves. Novosibirsk, 2008. CD-ROM. [ISBN 978-5-98901-040-0;

URL: 4. Бунтин Д.А., Чимытов Т.А. Анализ нелинейных взаимодействий в гиперзвуковом пограничном слое острого конуса // Пятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: материалы конференции. Кемерово, 2009.

5. Бунтин Д.А., Чимытов Т.А., Маслов А.А. Исследование нелинейных процессов на модели острого конуса в высокоэнтальпийной трубе // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докладов. VII Всероссийская конференция молодых ученых. Новосибирск, 2009. С. 228-230.

6. Бунтин Д.А., Чимытов Т.А. Исследование нелинейных процессов в гиперзвуковом пограничном слое конуса при различных затуплениях носика // Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: материалы конференции. Волгоград, 2009. C. 637-638.

7. Бунтин Д.А., Чимытов Т.А. Влияние затупления носика конуса на нелинейные взаимодействие в гиперзвуковом пограничном слое // Устойчивость и турбулентность гомогенных и гетерогенных жидкостей: Докл. Всероссийской молодежной конф. Вып. XII / Под ред. В.В. Козлова. Новосибирск: Параллель, 2010. С. 284-287.

8. Бунтин Д.А., Шиплюк А.Н., Лукашевич С.В., Чимытов Т.А. Влияние глубины пористости на устойчивость гиперзвукового пограничного слоя // Материалы XLIX Международной научной студенческой конференции Студент и научно-технический прогресс. Новосибирск: НГУ, 2011. С. 67.

Ответственный за выпуск Т.А. Чимытов Подписано в печать 2.03.20Формат бумаги 6084/16, Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в ЗАО ДокументСервис 630090, Новосибирск-90, Институтская 4/    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям