ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Исследование механизма снижения турбулентного поверхностного трения с помощью разрушителя вихревых структур (РВС), установленного в пограничном слое из "Турбулентный пограничный слой" Вопросу уменьшения поверхностного трения с помощью пассивных методов воздействия на развитие турбулентного пограничного слоя посвящено много экспериментальных исследований. К числу наиболее эффективных пассивных методов можно отнести метод риблетов — продольно обтекаемых ребер с острыми кромками, и метод РВС — разрушителей вихревых структур, основанный на использовании манипулятора в виде тонкой пластины, устанавливаемой внутри турбулентного пограничного слоя параллельно обтекаемой поверхности. [c.195] Воздействие риблетов на развитие турбулентного пограничного слоя исследовано достаточно полно [3.41-3.43], в то время как условия оптимального использования РВС для уменьшения турбулентного трения изучены недостаточно. Имеющиеся в литературе сведения по этому вопросу [3.44-3.45] носят в основном фрагментарный характер, поскольку они относятся к отдельным конкретным значениям параметров, влияющих на конечный результат, что затрудняет их обобщение. Противоречивыми являются результаты опытов по определению оптимальных условий работы РВС и эффективности их применения. Неясен механизм процессов, протекающих в турбулентном пограничном слое при наличии в потоке РВС. [c.195] Исследовался турбулентный пограничный слой в безградиентном несжимаемом потоке dp/dx = 0). Поскольку в опытах особое внимание уделялось точности опытного определения коэффициента поверхностного трения, то измерения дублировались с использованием двух принципиально разных методов метода Клаузера [3.19] и усовершенствованного метода Престона 3.47]. На рис. 3.43с приведены результаты измерения коэффициента поверхностного трения f = с помощью метода Клаузера в зависимости от числа Рейнольдса, вычисленного по толщине потери импульса. [c.196] Сравнение опытных данных, полученных с применением методов Клаузера и Престона при скорости потока Uoo — 30 м/с, приведено на рис. 3.436. Видно, что в пределах разброса опытных точек оба метода измерения /o дают одинаковые результаты. [c.197] Соотношение (3.37) используется в дальнейшем для определения исходных значений f о, относительно которых осуществляется количественная оценка снижения поверхностного трения с помощью РВС. [c.197] Разрушитель вихревых структур, выполненный в виде тонкой пластины толщиной t = 0,4 мм и длиной I = 9-18 мм, устанавливался по потоку внутри пограничного слоя толщиной S на расстоянии Н от обтекаемой поверхности. Для оценки воздействия РВС на развитие пограничного слоя измерения параметров пограничного слоя проводились на разных расстояниях Ах от задней кромки пластины (рис. 3.44). [c.197] Типичные результаты измерений относительной величины f/ fQ в зависимости от безразмерного расстояния Ах/5 при разных значениях относительной высоты установки пластины Н/5 в пограничном слое приведены на рис. 3.44. Здесь f — коэффициент поверхностного трения при установленной в пограничном слое пластине i—толщина пограничного слоя в сечении, соответствующем задней кромке пластины. [c.197] что коэффициент поверхностного трения f достигает своего минимального значения f на некотором расстоянии Ах = Дж вниз потоку от задней кромки пластины — РВС, после чего начинает возрастать до своей исходной величины. Отметим, что каждому значению высоты Н/5 соответствует свое оптимальное расстояние AXi,/5 , при котором относительный местный коэффициент поверхностного трения принимает минимальное значение, f/ fQ = ( /Z /Jmin. [c.197] На рис. 3.45 а приведена зависимость осредненных значений Ax ,/6i от отношения Н/6. Эта зависимость остается справедливой во всем исследованном диапазоне изменения чисел Рейнольдса (490 Re 1680) и относительной длины пластины (1,2 // i 2,4). [c.197] Из рис. 3.456 видно, что величина (ДС //С / )тах уменьшается с увеличением числа Re , рассчитанного по толш,ине потери импульса 6 в области задней кромки пластины, при всех исследованных значениях H/6i. При этом значения (АС //С / )п1ах уменьшаются с ростом H/oi. Однако протяженность зоны за пластиной, где наблюдаются значения f/ j 1, с ростом Н/6 возрастает (рис. 3.44). [c.198] Влияние относительной длины 1/6 на величину (АС //С /д)п1ах для двух значений H/6i = 0,4 и 0,8 показано на рис. 3.45 в для чисел Рейнольдса Re = 830 (пунктирная линия) и 1680 (сплошная линия). Видно, что выигрыш в A f / ff при H/oi = 0,4 больше, чем при Н/5 = 0,8. [c.198] Отметим, что результаты, приведенные на рисунках 3.44 и 3.45, качественно согласуются с имеющимися в литературе опытными данными (см. [3.44]). [c.199] Рассмотрим воздействие РВС на структурные характеристики турбулентного пограничного слоя. Исследовалось влияние установки РВС в пограничном слое на частоту / выбросов замедленной жидкости из пристеночной области течения во внешнюю область пограничного слоя. Частота / определяет период Т = 1// обновления течения в области вязкого подслоя, где течение является суш,ественно нестационарным и состоит из участков элементарного ламинарного слоя длиной жо, периодически развивающегося до определенной толщины 0 и затем разрушающегося под действием некоторого механизма неустойчивости (см. 2.2 ). [c.200] Из результатов измерений следует, что присутствие пластины в пограничном слое приводит также к некоторому уменьшению интегрального масштаба турбулентности по всей толщине пограничного слоя. [c.201] Можно полагать, что уменьшение уровня пульсаций скорости и масштаба турбулентности, вызванное установкой РВС в пограничном слое, непосредственно связано со снижением поверхностного трения. [c.201] Результаты исследования влияния РВС на процессы обновления вязкого подслоя в пристеночной области течения, а именно, на частоту / выбросов замедленной жидкости из пристеночной зоны течения во внешнюю область пограничного слоя приведены на рисунках 3.47 и 3.48. [c.201] Определение частоты выбросов в данном случае осуществлялось по максимуму распределения по частотам спектрального момента первого порядка fE f) вблизи стенки (см. 2.2). Спектральное распределение определялось путем применения преобразования Фурье к автокорреляционным функциям, полученным опытным путем. Типичный пример распределения величины kfE f) (здесь /г — произвольный аппаратурный коэффициент), измеренной в пограничном слое на разных расстояниях от стенки = уи /и при отсутствии пластины РВС (а) и при ее наличии в пограничном слое (б) приведен на рис. 3.47. Видно, что вблизи обтекаемой стенки (в зоне границы вязкого подслоя) максимумы спектров наблюдаются при некоторой частоте / , а на некотором расстоянии от стенки — при частоте /г- Механизм формирования этих двух максимумов в энергетических спектрах, т. е. двух превалирующих значений частоты в спектре, определяющих характерные периоды в процессе обновления подслоя, подробно рассмотрен в 2.2. [c.201] На рис. 3.48 приведе1Ш результаты определения безразмерного периода обновления подслоя Т = Uoo/fS на разных расстояниях от стенки у = yu /i при наличии и отсутствии в пограничном слое РВС. Опыты проводились при разных значениях скорости набегающего потока (Uoo = 10-40 м/с) для разной высоты установки пластины в пограничном слое (Н 5 = 4-0,75, 1/5 =2,4). Видно, что безразмерный период обновления подслоя Т = Uoo/fS практически не зависит от того, присутствует или отсутствует пластина в пограничном слое. [c.201] Увеличение толщины вытеснения в пограничнол слое в присутствии РВС при постоянном значении безразмерного периода Т означает уменьшение частоты выбросов /, а следовательно, увеличение размерного периода обновления подслоя Т = 1//. Согласно же схеме течения, приведенной на рис. 3.48 а, увеличение периода Т способствует увеличению длины хд элементарных ламинарных участков в вязком подслое и их максимальной толщины (5о, что эквивалентно увеличению осредненной толщины вязкого подслоя л. а следовательно, уменьшению поверхностного трения. [c.202] Вернуться к основной статье