Гапонов С.А. Смородский Б.В.
Сверхзвуковой пограничный слой при вдуве инородного газа и его устойчивость
Докладчик: Смородский Б.В.
СВЕРХЗВУКОВОЙ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ ПРИ ВДУВЕ ИНОРОДНОГО ГАЗА И ЕГО УСТОЙЧИВОСТЬ
С.А.Гапонов, Б.В.Смородский
Важной задачей механики жидкости и газа является вопрос об управлении состоянием пограничного слоя с целью затянуть или наоборот ускорить возникновение турбулентности. Одним из методов управления, активно разрабатываемых в последнее время, является применение проницаемых пористых покрытий. При сверхзвуковых скоростях обтекания введе-ние пористого покрытия при нулевом среднем расходе сквозь проницаемую поверхность оказывает дестабилизирующее влияние на первую моду неустойчивости пограничного слоя и, вследствие этого, ускоряет переход. Однако в течение уже длительного времени известно, что вдув или отсос газа из пограничного слоя, заметно меняют характеристики устойчивости слоя и могут повлиять на положение ламинарно-турбулентного перехода.
К настоящему времени отсутствуют опубликованные детальные исследования по устой-чивости пограничных слоев при вдуве примеси с поверхности, которые позволили бы ста-вить задачу об управлении ламинарно-турбулентным переходом. Особый пробел имеет место для сверхзвуковых пограничных слоев.
В настоящей работе делается попытка теоретического исследования устойчивости сверхзвукового пограничного слоя бинарной смеси на модели плоской пластины. Сначала была выведена система уравнений, описывающие средний поток в сжимаемых ламинарных пограничных слоях бинарной смеси газов в приближении локальной автомодельности. В уравнениях учитывались эффекты диффузии и термодиффузии примеси. Краевая задача для полученной системы интегрировалась численно. Рассчитывались профили скорости, температуры и плотности газовой смеси, а также концентрации примеси поперек пограничного слоя. Это позволило проанализировать влияние вдува примеси на поверхностное трение и теплообмен в зависимости от различных параметров.
Далее была выведена система уравнений линейной устойчивости, обобщающая известную систему Дана-Линя на случай течения в пограничном слое бинарной смеси. Полученная задача на собственные значения интегрировалась численно с помощью метода ортогонализаций. Расчеты устойчивости проводились для модели теплоизолированной плоской пластины при числе Маха набегающего потока M=2. Расчеты показали, что инжекция газа с проницаемой поверхности модели в пограничный слой в зависимости от сорта вдуваемого газа может как дестабилизировать течение, приводя к более раннему переходу, так и способствовать его частичной стабилизации, смещая переход вниз по течению.
Было обнаружено, что вдув воздуха или легкого газа, такого как неон, приводит к моно-тонному росту инкрементов возмущений при увеличении интенсивности инжекции, что вызвано формированием более неустойчивых профилей среднего течения. В то же время вдув тяжелого инертного газа такого как ксенон также дестабилизирует течение. Причиной такого явления является низкая теплоемкость ксенона, приводящая к тому, что температура смеси вблизи стенки существенно увеличивается с ростом интенсивности инжекции. Показано, что в случае инжекции тяжелых газа с теплоемкостью близкой к теплоемкости воздуха (элегаз, тетрахлорметан) увеличение интенсивности инжекции приводит к монотонному уменьшению скоростей пространственного роста возмущений, т.е. к стабилизации течения. Расчет N-факторов для таких газов выявил возможность получить заметное увеличение числа Рейнольдса перехода. На основании проведенных исследований делается вывод о том, что молекулярный вес примеси, а также ее теплоемкость имеют существенное влияние на характеристики линейной устойчивости сверхзвукового пограничного слоя бинарной смеси газов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 15-01-00866).
К списку докладов