Экспериментальное исследование возмущений в пограничном слое генерируемых

поверхности
Садовский И.А.
2 курс магистратуры ФФ НГУ

слое Блазиуса
Эксперимент 1
Схема эксперимента
Результаты
Выводы
Эксперимент 2
Мотивация и схема эксперимента
Результаты
Выводы
Эксперимент 3
Схема

эксперимента
Результаты
Выводы
Глава 2 – исследование возмущений в пограничном слое скользящего крыла
Предыдущие исследования
Актуальность и задачи
Схема эксперимента
Результаты
Выводы
Публикации

с соавт. 1996)
Сценарии ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое плоской

пластины;
Для повышенной степени турбулентности:
(I)– область зарождения и развития продольных полосчатых структур.
(II) - область нелинейного развития и зарождения турбулентных пятен;
(III) – образование и взаимодействие турбулентных пятен

Турбулизирующая сетка

Низкая степень турбулентности
набегающего потока
(Tu=0.02% U∞ )

Повышенная степень турбулентности
набегающего потока
(Tu>1% U∞ )

Введение

Сценарии ламинарно-турбулентного перехода
в пограничном слое

et al. 2009

. Появление и развитие волновых пакетов

* Эксперименты в контролируемых условиях (пассивные возмущения,
волновые пакеты- предвестники).
(В.В.Козлов, М.М.Катасонов, В.Н.Горев, П.А.Мотырев, Д.С.Сбоев,
А.М.Павленко, 1999-настоящее время)

мембрана

пограничным слоем а так же комплексного изучения всех возможных факторов,

которые могут оказывать влияние на процесс ламинарно-турбулентного перехода.
Задача – смоделировать в ламинарном потоке и изучить продольные структуры, которые появляются при высокой степени турбулентности.
В предыдущих работах было показано, что в определенных условиях
(неблагоприятный градиент давления и отрыв потока) волновые пакеты, которые появляются при моделировании продольных локализованных возмущений нарастают.
Цель следующего эксперимента – изучить поведение возмущений – продольных структур и волновых пакетов генерируемых импульсными вибрациями поверхности при = 400 – 1300 в пограничном слое Блазиуса на плоской пластине.

позволяет:
Получать количественные данные о пространственной структуре течения с помощью одного

датчика
Сохранять фазовую информацию исследуемого возмущения
- Повышать точность измерений
- Выделять слабый полезный сигнал из недетерминированных шумов

Схема эксперимента для моделирования возмущений пограничного слоя

РС + АЦП

Блазиуса
Схема эксперимента:
Модель была помещена в аэродинамическую трубу Т – 324
Скорости

набегающего потока равнялись 3,5 м/с и 16 м/с

м/с
Измерение внутри пограничного слоя показали что при данных скоростях в

пограничном слое реализуется течение Блазиуса

м/с и 16 м/с в плоскостях z – t и

y – t, х = 300 мм

При z = 0 располагается зона дефекта скорости, порождаемая отклонениями мембраны вверх.
По обе стороны от зоны дефекта видно образование двух ярко выраженных областей с превышением скорости
Такие картины изолиний пульсаций характерны для продольных струтктур.

возмущений
Видно, что для обеих скоростей выделенные таким образом волновые пакеты

сконцетрированны в областях, где мембрана совершает свое движение.

При скорости потока 3,5 м/с

При скорости потока 16 м/с

вдоль оси Х
Наличие двух максимумов на рисунках выше, характерно для

пакетов волн Толмина – Шлихтинга.
Из рисунков справа понятно что продольная структура (в) затухает на всей области измерений, чего нельзя сказать о волновых пакетах.

кривая нейтральной устойчивости для данного течения с наложенными экспериментальными точками

в пограничном слое Блазиуса происходит образования возмущений: продольных структур и

волновых пакетов.
Показано, что амплитуда волновых пакетов для скорости 16 м/с нарастает вниз по потоку, а для 3.5 м/с снижается. В то же время амплитуда продольной структуры уменьшается в обоих случаях.
Пространственное развитие колебаний на центральной частоте волновых пакетов согласуется с линейной теорией гидродинамической устойчивости.
С увеличением скорости потока искажениями, вносимыми мембраной нельзя было пренебрегать, следовательно необходима модернизация.

источника возмущений.
Для генерации двухмерных и трехмерных возмущений с помощью 3D

печати был создан набор устройств для крепления мембраны.
Мембрана, закрепленная таким образом не выступала над поверхностью, давая возможность увеличить скорость не искажая поток.
Устройство так же давало возможность создавать локализованное углубление, а не только выступ как в предыдущей работе, что расширяло возможности моделирования возмущений.

324.
Измерения проводились при скоростях 8 м/с и 20 м/с.

Блазиуса
Из графиков видно, что для обеих скоростей реализуется течение Блазиуса.
=

8 м/с

= 20 м/с

м/с по трансверсальной и нормальной координате x = 250 мм
без

фильтрации (а, б)

После фильтрации в районе 75 – 200 Гц (в, г)

плоской пластины: волновая картина в плоскости пластины при возбуждении периодических

возмущений сосредоточенным источником [Kozlov, Ryzhov,1990].

Сравнение с предыдущими исследованиями

Амплитуды пульсаций скорости для обоих фронтов в зависимости от z и изолинии волнового пакета заднего фронта

трансверсальной и нормальной координате, X = 250 мм

Волновой пакет с

переднего фронта возмущения

м/с (б)
Как и в предыдущем эксперименте на графиках можно найти

два максимума, на границе с пластиной и на границе с пограничным слоем.
Такое распределение характерно для волны Толмина – Шлихтинга.

и заднего фронта
Из распределения амплитуды продольной структуры (а) вниз по

потоку видно, что для обеих скоростей она затухает.
Из распределение амплитуды волновых пакетов (прямые и наклонные волны) вниз по потоку для скорости 8 м/с (б) видно, что они затухают.
Распределение амплитуды волновых пакетов вниз по потоку для скорости 20 м/с (в) (для прямых и наклонных волн) показывает, что прямые волны нарастают вниз по потоку а наклонные не нарастают в области измерений.

для скорости 8 м/с ни одна из точек не попадает

в зону неустойчивости, следовательно, волновые пакеты затухают.
Для скорости же 20 м/с становится понятно, что достигнув x = 400 мм (Re = 1000, F = 50) волновые пакеты попадают в зону неустойчивости и начинают активно нарастать.

данные для больших чисел Рейнольдса.
Амплитуда продольной структуры во всех

исследованных случаях затухает вниз по потоку.
Пространственное развитие колебаний на центральной частоте волновых пакетов согласуется с линейной теорией гидродинамической устойчивости.
Показано, что амплитуда волновых пакетов для скорости 20 м/с нарастает вниз по потоку, а для 8 м/с снижается.
Возбуждение пограничного слоя трехмерным источником, позволило выявить, что волновые пакеты, генерируемые в данном случае, состоят из прямых и наклонных волн. Характер их развития согласуется с предыдущими исследованиями (генерация возмущений точечным источником).
Результаты, полученные на разных установках (Т-324 и МТ-324) физически согласуются, что подтверждает их достоверность.

324.
Измерения проводились при скорости 21.5 м/с.

м/с по трансверсальной и нормальной координате x = 600 мм
без

фильтрации (а)

После фильтрации в районе 120 – 400 Гц (б, в)

а)

б)

в)

Амплитуды пульсаций скорости в зависимости от z

данные для расширенных чисел Рейнольдса
Возбуждение пограничного слоя трехмерным источником, позволило

выявить, что волновые пакеты, генерируемые в данном случае, состоят из прямых и наклонных волн. Характер их развития согласуется с предыдущими исследованиями (генерация возмущений точечным источником).
Результаты физически согласуются, что подтверждает их достоверность.

Экспериментальное исследование импульсного воздействия мембраны на пограничный слой скользящего крыла

// Сибирский физический журнал. 2018. Т. 13, № 3. С. 7–15.

Глава 2: влияние повышенной степени турбулентности на развитие возмущений в пограничном слое скользящего крыла

200 мм
U = 7 м/с
Tu = 0,18 %, 0.8 % U
Угол

атаки α = -1⁰

пограничного слоя
Tu = 0,18 % U
Источник локализованных возмущений располагается в

конце области благоприятного градиента давления (Х/С = 0,27)

плоскости (Zt) при Y = Yumax. Tu = 0,18 %

U
Продольная структура (а), волновой пакет после фильтрации в диапазоне частот 100

плоскости (Zt) при Y = Yumax. Tu = 0,8 %

U
Продольная структура (а), волновой пакет после фильтрации в диапазоне частот 100

плоскости (Yt) при Z = 0, X/C = 0,32, Tu

= 0,18 % U (1), 0,8% U (2)
Продольная локализованная структура (а), волновой пакет после фильтрации в диапазоне частот 100Пунктиром обозначена граница пограничного слоя

(1)

(2)

пограничном слое
1 – Волновой пакет на переднем фронте Tu =

0,18 %
2 – Волновой пакет на заднем фронте Tu = 0,18 %
3 – Волновой пакет на переднем фронте Tu = 0,8 %
4 – Волновой пакет на заднем фронте Tu = 0,8 %

набегающего потока возникают волновые пакеты фронтов локализованных возмущений в пограничном

слое скользящего крыла.
Термоанемометрическая визуализация исследуемых возмущений при низкой и повышенной степени турбулентности набегающего потока выявила, что продольные структуры в пограничном слое скользящего крыла за счет трехмерности течения (наличия поперечной компоненты скорости) становятся асимметричными. Происходит закрутка продольной структуры, появляются дополнительные области с дефектом\превышением скорости. Положение максимума амплитуды предвестников смещается за счет вторичного течения.
Повышение степени турбулентности с 0,18 до 0,8% U привело к замедлению развития волновых пакетов (в исследуемой области при их малой амплитуде). На интенсивность продольных локализованных возмущений повышение степени турбулентности заметного влияния не оказало.

the round membrane M M Katasonov, V V Kozlov, A

M Pavlenko and I A Sadovskii Journal of Physics: Conference Series, Volume 1382, XXXV Siberian Thermophysical Seminar 27–29 August 2019, Novosibirsk, Russia
Грек Г. Р., Катасонов М. М., Козлов В. В., Корнилов В. И., А. В. Крюков, Садовский И. А. Управление ламинарно-турбулентным переходом на крыловом профиле путем распределенного отсоса через мелкоперфорированную поверхность // Сибирский физический журнал. 2019. Т. 14, № 4. С. 28–54. DOI 10.25205/2541-9447-2019-14-4-28-54
Mikhail M.Katasonov, Victor V. Kozlov, Alexandr M. Pavlenko, Ivan A. Sadovskii Hot-wire visualization of the laminar boundary layer disturbances 15thInternational Conference on Fluid Control, Measurements and Visualization 27-30 May 2019,Naples, Italy
Modelling of the boundary layer perturbations by localized controlled impact
M.M. Katasonov, V.V. Kozlov, A.M.Pavlenko, I.A. Sadovskii Features of the interaction of localized free-stream disturbances with the straight and swept wing boundary layer XVI Всероссийский семинар с международным участием «Динамика Многофазных Сред» 30 сентября – 5 октября 2019 г.
M.M. Katasonov , V.V. Kozlov, A.M. Pavlenko, I.A. Sadovskii Modelling of the boundary layer perturbations by localized
controlled impact XXVI Всероссийская конференция с международным участием «Высокоэнергетические процессы в механике сплошной среды», посвященная 150-летию со дня рождения С.А. Чаплыгина 3–5 апреля 2019 года
И.А. Садовский Экспериментальное исследование локализованных возмущений в пограничном слое плоской пластины, генерируемых ограниченными вибрациями поверхности Проблемы Механики 15 – 21 марта 2019 г.
И.А. Садовский Экспериментальное исследование возмущений в пограничном слое скользящего крыла, генерируемых мембраной при повышенной степени турбулентности набегающего потока. Проблемы Механики 28 февраля – 06 марта 2020 г.
И.А. Садовский Экспериментальное исследование возмущений в пограничном слое плоской пластины, генерируемых вибрациями локализованного участка поверхности МНСК 14 – 19 апреля 2019 г.