Лысенко В.И.   Смородский Б.В.   Ермолаев Ю.Г.   Гапонов С.А.   Зубков Н.Н.   Косинов А.Д.  

Экспериментальное исследование влияния вдува тяжелого газа в сверхзвуковой пограничный слой на его ламинарно-турбулентный переход

Докладчик: Лысенко В.И.

Проведено экспериментальное исследование влияния распределенного вдува (как тангенциального, так и нормального) тяжелого газа (элегаза SF6) в пристеночный слой пограничного слоя на его ламинарно-турбулентный переход при числе Маха набегаю-щего потока М∞=2. Впервые экспериментально показано, что при таком вдуве ламинарно-турбулентный переход смещается вниз по потоку.

В ряде задач возникает вопрос об управлении пограничным слоем. Как показали расчеты С.А.Гапонова и Б.В.Смородского, можно стабилизировать сверхзвуковой пограничный слой с помо-щью инжекции (вдува) тяжелого газа в пристеночный слой этого погранслоя, тем самым вы-годно меняя (делая более устойчивым) течение за счет изменения профиля плотности попе-рек пограничного слоя.
Целью данной работы было экспериментальное исследование такого влияния на ламинарно-турбулентный переход сверхзвукового пограничного слоя на плоской пластине.
Эксперименты проводились в сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-325 ИТПМ СО РАН при числе Маха набегающего потока М∞=2, температуре торможения потока T0≈290 К при двух типах вдува (тангенциальном и нормальном). Обе модели (пластины) жестко крепилась к боковым стенкам рабочей части трубы и устанавливалась под нулевым углом атаки.
В качестве моделей использовались теплоизолированные стальные плоские пластины длиной 440 и толщиной 10 мм, с носиком, скошенным под углом 140, и радиусом притупле-ния передней кромки 0.05-0.1 мм. Начало отсчета используемой в дальнейшем продольной (вдоль направления внешнего течения) координаты x находится на передней кромке модели. На некотором участке рабочей поверхности (на всю ширину пластины) в моделях был сделан паз, куда вставлялись разные пористые вставки-пластинки,
Если рабочая модель обтекалась в экспериментах воздухом, то в качестве тяжелого газа, используемого для вдува в пограничный слой, служил гексафторид серы (элегаз, SF6) с плот-ностью 6.15 кг/м³ (и молекулярным весом  ), т.е. приблизительно в 5 раз тяжелее воздуха. Эксперименты проводились при различных значениях массового расхода элегаза при его инжекции в пограничный слой.
Измерения положения перехода пограничного слоя выполнялись с помощью термоанемо-метра постоянного сопротивления с однониточным датчиком из вольфрамовой нити диамет-ром 10 мкм и длиной 1.5 мм. Величина перегрева нити датчика была 0.8, вследствие этого можно утверждать, что фиксировались преимущественно пульсации массового расхода.
Пульсационные и средние характеристики потока измерялись с помощью автоматизиро-ванной системы сбора данных, которой оборудована аэродинамическая труба Т-325.
1.  Результаты при тангенциальном вдуве.
В первой модели на участке х=50-220 мм рабочей поверхности (на всю ширину пластины) был сделан паз, куда вставлялась медная пористая вставка-пластинка длиной 170 мм, изготовленная в МГТУ им. Н.Э. Баумана по оригинальной технологии двухстороннего деформирующего резания и представляющая собой проницаемую оболочку с тангенциальными каналами (направленными по потоку) на обращенной к потоку стороне пластины. Параметры оребренной структуры были следующие: шаг наклонных ребер 0.75 мм (шаг прямых ребер 0.63 мм), угол наклона наклонных ребер 57° (от вертикали), ширина каждой щели около 80 мкм, толщина вставки 1.5 мм, поверхностная пористость структуры 20%.
В экспериментах исследовалось положение перехода в зависимости от степени вдува эле-газа в пристеночный слой пограничного слоя. Положение перехода определялось по макси-муму в зависимости среднеквадратичного сигнала датчика термоанемометра от единичного числа Рейнольдса при продольной координате х=105 мм и значениях единичного числа Рей-нольдса  (2.5-7)  м-1. Эксперименты проводились при пяти значениях массового расхода вдуваемого элегаза Q=0; 0.021; 0.085; 0.117 и 0.145 г/(см2•мин).
Было получено, что при последовательном увеличении расхода элегаза при вдуве его в пристеночный слой сверхзвукового пограничного слоя число Рейнольдса перехода увеличи-вается (в данных экспериментах на 17%), сначала сильно, а затем слабее. Следует отметить, что результаты расчетов, полученные на основе линейной теории устойчивости, находятся в полном качественном согласовании с результатами наших экспериментов.
2.  Результаты при нормальном вдуве.
Во второй модели на участке х=50÷170 мм рабочей поверхности (на всю ширину пласти-ны) был сделан паз, куда была вставлена (заподлицо с основной поверхностью модели) по-ристая вставка-пластинка с пористостью 39% из пористой нержавеющей стали ПНС-8 с чи-стотой фильтрации (аналог размера пор) 10 мкм и толщиной 2.5 мм (с шероховатостью по-верхности Rz≈11-12 мкм, определенной с помощью оптического профилометра Zygo New View 7300). Эта вставка сделана из пористой стали, производимой Выксунским металлурги-ческим заводом (спеченной из порошка, размер зерен около 70 мкм). В силу конструкции модели, проницаемая часть пористой вставки располагалась на участке х=65÷155 мм и z=±85 мм (от оси модели).
В проведенных экспериментах исследовалось положение ламинарно-турбулентного пере-хода на плоской пластине в зависимости от массового расхода инжектируемого (в присте-ночный слой пограничного слоя) элегаза. Число Рейнольдса перехода Ret определялось по единичному числу Рейнольдса, соответствующему максимуму в зависимости среднеквадра-тичного сигнала датчика термоанемометра от единичного числа Рейнольдса, при продольной координате х=140 мм. Эксперименты проводились при трех значениях массового расхода вдуваемого элегаза Q=0; 0.085 и 0.18 г/(см2•мин).
Найдено, что с последовательным увеличением расхода элегаза (при вдуве его в присте-ночный слой сверхзвукового пограничного слоя) число Рейнольдса перехода растет.
То есть эксперименты как при тангенциальном, так и при нормальном способах вдува по-казали одно и то же – сверхзвуковой пограничный слой стабилизируется при инжекции в него тяжелого газа.
Таким образом, впервые проведены экспериментальные исследования влияния распреде-ленного вдува (как тангенциального, так и нормального) в пристеночный слой пограничного слоя тяжелого газа (элегаза SF6) на ламинарно-турбулентный переход сверхзвукового пограничного слоя при числе Маха набегающего потока М∞=2. Получено, что вдув такого тяжелого газа стабилизирует течение в сверхзвуковом пограничном слое, в результате чего ламинарно-турбулентный переход смещается вниз по потоку.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №15-01-00866-а) и РАН (проект ИТПМ №01201351885).


К списку докладов