Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Экспериментальное исследование возникновения и развития возмущений на прямом и скользящем крыльях с неблагоприятным градиентом давления

Диссертация: Экспериментальное исследование возникновения и развития возмущений на прямом и скользящем крыльях с неблагоприятным градиентом давления
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Разработаны и применены новые методики аэрофизических исследований: разработана методика пространственной визуализации течений посредством обработки точечных термоанемометрических измеренийразработана конструкция и на основе микромашиной технологии изготовлен термоанемометрический сенсор нового типа для определения пульсаций градиента скорости вблизи стенки. Показана возможность использования… Читать ещё >

Содержание

  • Содержание i
  • Введение v
  • 1. Обзор. Состояние исследуемого вопроса
  • 2. Оборудование и методика проведения исследований
    • 2. 1. Анализ критериев подобия
    • 2. 2. Оборудование лаборатории аэрофизических исследований дозвуковых течений
  • ИТПМ СО РАН
    • 2. 3. Оборудование Чалмерсского университета
    • 2. 4. Контролируемый эксперимент
    • 2. 5. Методика термоанемометрических измерений
    • 2. 6. Методика обработки результатов измерений
    • 2. 7. Оценка погрешностей измерений
  • 3. Разработка и исследование характеристик микромашинных термоанемометрических датчиков
    • 3. 1. Введение
    • 3. 2. Принцип работы датчика
    • 3. 3. Расчет теплообмена МЭМС-датчика
      • 3. 3. 1. Потери тепла на излучение
      • 3. 3. 2. Влияние близости стенки
      • 3. 3. 3. Тепловая модель датчика
      • 3. 3. 4. Конвективный перенос тепла
      • 3. 3. 5. Дифференциальное уравнение теплообмена
      • 3. 3. 6. Расчет характеристик датчика
    • 3. 4. МЭМС датчик
      • 3. 4. 1. Дизайн
      • 3. 4. 2. Изготовление
    • 3. 5. Тестирование в аэродинамической трубе
      • 3. 5. 1. Экспериментальное оборудование
      • 3. 5. 2. Тарировка
      • 3. 5. 3. Коэффициенты чувствительности
      • 3. 5. 4. Результаты тестовых измерений
    • 3. 6. Выводы к Главе 3
  • 4. Возникновение турбулентности из периодических возмущений
    • 4. 1. Введение
    • 4. 2. Экспериментальное оборудование
    • 4. 3. Характеристики среднего течения
    • 4. 4. Развитие двумерных пространственно-модулированных волн
    • 4. 5. Развитие волновых цугов от точечного источника
    • 4. 6. Выводы к Главе 4
  • 5. Исследование непериодических возмущений большой амплитуды от локализованного вибратора
    • 5. 1. Развитие возмущений в пограничном слое Блазиуса
      • 5. 1. 1. Введение
      • 5. 1. 2. Экспериментальное оборудование
      • 5. 1. 3. Результаты измерений
      • 5. 1. 4. Выводы
    • 5. 2. Развитие возмущений в пограничном слое прямого крыла
      • 5. 2. 1. Введение
      • 5. 2. 2. Методика проведения эксперимента
      • 5. 2. 3. Результаты эксперимента
      • 5. 2. 4. Выводы

Экспериментальное исследование возникновения и развития возмущений на прямом и скользящем крыльях с неблагоприятным градиентом давления (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

6.2 Процедура эксперимента. .97.

6.3 Качественные исследования.98.

6.4 Количественные результаты. .101.

6.5 Взаимодействие периодических Л-структур с высокочастотной волной.. 109.

6.6 Выводы к Главе 6.111.

Заключение

ИЗ.

Примечание 115.

Литература

116.

Цель настоящей работы состоит в экспериментальном изучении процесса возникновения и развития возмущений, вызывающих турбулизацию пограничного слоя на прямом и скользящем крыле. Она включает в себя следующие основные направления исследований:

Разработка и создание термоанемометрического датчика нового типа на основе мик-роэлектромашинной (МЭМС) технологии для измерений пульсаций скорости вблизи стенки;

Исследование К-режима ламинарно-турбулентного перехода в области неблагоприятного градиента давления прямого и скользящего крылы;

Исследование развития двумерных пространственно-модулированных волн неустойчивости, трехмерных волновых цугов от точечного источника;

Исследование локализованных в пространстве и во времени непериодических возмущений генерируемых вибрациями поверхности, их линейное развитие и нелинейное взаимодействие;

Исследование процесса стохастизации течений с Л-вихрями через механизм их локальной высокочастотной вторичной неустойчивости. Данные исследование представляют большой интерес как в фундаментальном, так и прикладном значениях.

Во многих реальных ситуациях (например, на крыльях планеров и самолётов и т. д.) переход часто происходит именно в области пограничного слоя с неблагоприятным градиентом давления. При создании современных инженерных методов расчёта положения перехода используются теории устойчивости трёхмерного пограничного слоя, теории нелинейного развития возмущений в пограничном слое, а также методы прямого численного моделирования, которые нуждаются в верификации экспериментальными данными.

До недавнего времени соответствующие эксперименты, содержащие количественную информацию о линейном и нелинейном развитии возмущений, возникновении и развитии продольных структур в трехмерном пограничном слое с неблагоприятным градиентом давления, практически отсутствовали. Данная экспериментальная работа в значительной степени восполняет этот пробел.

Диссертация состоит из введения, шести глав с изложением результатов исследований, заключения и списка цитируемой литературы.

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать в виде следующих выводов:

1. Разработаны и применены новые методики аэрофизических исследований: разработана методика пространственной визуализации течений посредством обработки точечных термоанемометрических измеренийразработана конструкция и на основе микромашиной технологии изготовлен термоанемометрический сенсор нового типа для определения пульсаций градиента скорости вблизи стенки. Показана возможность использования таких датчиков для исследования возникновения турбулентности и в системах контроля потока.

2. Впервые показано, что развитие Л-структур в К-режиме перехода в области неблагоприятного градиента давления на прямом крыле качественно идентично их развитию на плоской пластине.

3. Проведённое детальное исследование развития волновых цугов от точечного источника на прямом, скользящем 30° и 45° крыльях, включая линейную стадию и процесс возникновения турбулентности показало, что ламинарно-турбулентный переход, вызванный волнами Т-Ш на скользящем крыле приводит к образованию асимметричных Л-структур. Наличие поперечного течения приводит к тому, что из двух противовращающихся вихрей Л-структуры остается лишь один. Таким образом, впервые обнаружено, что Л-структура может трансформироваться в локализованный во времени и пространстве вихрь, аналогичный полосчатой структуры, механизм разрушения которой может быть связан с ее неустойчивостью к вторичным высокочастотным возмущениям.

4. Найдено, что на прямом крыле в области неблагоприятного градиента давления непериодические возмущения от локализованного вибратора отличаются от таких же возмущений на плоской пластине. Найденные возмущения представляют собой пару квазистационарных, вихрей большой амплитуды. Распространение вихрей вниз по потоку сопровождается ростом трехмерных высокочастотных волновых пакетов. Переход к турбулентности е зтсм случае может происходит как через механизм развития вторичных возмущений на полосчатых структурах (вихрях), так и в результате нарастания волновых пакетов в области неблагоприятного градиента давления.

5. Исследован один из механизмов трансформации Л-структуры в турбулентное пятно. Показано, что взаимодействие затухающей Л-структуры с высокочастотной волной приводит к нарастанию вторичного высокочастотного возмущения и образованию турбулентного пятна, даже если Л-структура и высокочастотная волна затухали, когда генерировались независимо. Рост вторичных возмущений объясняется невязкой неустойчивостью перегибного типа. В «естественном» случае возможен также этот механизм финальной стохастизации течения с Л-вихрями.

Заключение

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Henningson. urowt’n ana breakdown 01 localised disturbances using dns in chsnnc! and boundary layer flows. 1. Dynamics of localized disturbances in engineering flows, page 28, University of Karlsruhe, April 1996. EUROMECH Colloquim 353.
  2. K. S. Breuer and M.T. Landahl. The evolution of a localized disturbance in a laminar boundary layer. Pt. 2. Strong disturbances. J. Fluid Mech., 220:595−621, 1990.
  3. А.А. Бакчинов, Г. P. Грек,.. B.B. Козлов. Развитие локализованных возмущений типа «пафф» и «зарождающееся» пятно в безградиентном пограничном слое. Сиб. физ.-техн. журн. (Изв. СО РАН), 6:11−21, 1993.
  4. А.А. Бакчинов, Г. Р. Грек,. В. В. Козлов. Экспериментальное изучение локализованных возмущений в ламинарном пограничном слое. Теплофизика и Аэромеханика, 1(1):51−58, 1994.
  5. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969.
  6. Г. Р. Грек, В. В. Козлов, М. П. Рамазанов. Моделирование возникновения турбулентного пятна из нелинейного волнового пакета. Моделирование в механике, 3(20)(1):46−60, 1989.
  7. А.Н. Гуляев, В. Е. Козлов, В. Р. Кузнецов, Б. И. Минеев, А. Н. Секундов. Взаимодействие ламинарного пограничного слоя с внешней турбулентностью. Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа, (5):55−65, 1989.
  8. Р.Н. Alfredsson, А.А. Bakchinov, V.V. Kozlov, and М. Matsubara. Laminar-turbulent transition structures at a high level of a free stream turbulence. In Ed. P.W.117
  9. Duck, editor, ЮТАМ Symposium on Nonlinear Instability and Transition in Three-Dimensional Boundary Layers, pages 423−436, Manchester, U.K., July 1995.
  10. I. Tani and Y. Aihara. Gortler vortices and boundary layer transition. ZAMP, (20):609, 1969.
  11. Y. Kohama. Some expectation on the mechanism of cross-flow instability in a swept wing flow. Acta Mech., 66(21), 1987.
  12. Г. Р. Грек. Вторичная неустойчивость уединенной вихревой пары типа вихря Тейлора-Гертлера. In Тезисы докладов 2-го Сибирского семинара, page 17, Новосибирск, 1995. «Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей».
  13. A.A. Bakchinov, H.R. Grek, B.G.B. Klingmann, and V.V. Kozlov. Transition experiments in a boundary layer with embedded streamwise vortices. Phys. Fluids, 7(4):820−832, 1995.
  14. Г. Р. Грек, М. М. Катасонов, В. В. Козлов, В, Г. Чернорай. Экспериментальное исследование механизма вторичного высокочастотного разрушения Л-структуры. Теплофизика и Аэромеханика, 6(4):445−461, 1999.
  15. Г. Р. Грек, В. В. Козлов, М. П. Рамазанов. Ламинарно-турбулентный переход при повышенной степени турбулентности набегающего потока: Обзор. Изв. СО АН СССР. Сер. теки, наук, 6:106−137, 1991.
  16. А.В. Бойко, Г. Р. Грек, А. В. Довгаль, В. В. Козлов. Возникновение турбулентности в пристеннб1Х течениях. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999.
  17. M.S. Acarlar and C.R. Smith. A study of hairpin vortices in a laminar boundary layer. Pt. 2. Hairpin vortices generated by fluid injection. J. Fluid Mech., 175:43−83, 1987.
  18. G.R. Grek, V.V. Kozlov, and M.P. Ramazanov. Three types of disturbances from the point source in the boundary layer. In V.V. Kozlov, editor, Ldminar-Turbulent Transition Proc., pages 267−272. IUTAM Symp., 1985.
  19. K.S. Breuer and J.H. Haritonidis. The evolution of a localized disturbance in a laminar boundary layer. Part 1: Weak disturbances. J. Fluid Mech., 220:569−594, 1990.
  20. W.O. Criminate, B. Long, and M. Zhu. General three-dimensional disturbances in inviscid couette flow. Stud. Appl. Math., 85:249−267, 1991.
  21. B.G.B. Klingmann. On transition due to three-dimensional disturbances in plane poiseulle flow. J. Fluid Mech., 240:167−195, 1992.
  22. T. Ellingssen and E. Palm. Stability of linear flow. Phys. Fluids, 18:478−487, 1975.
  23. M.T. Landahl. A rote on an algebraic instability of inviscid parallel shear flows. J. Fluid Mech., 98:243−251, 1980.
  24. K.M. Butler and B.F. Farrell. Three-dimensional perturbations in viscous shear flow. Phys. Fluids A, 4(8):1627−1650, 1992.
  25. H. Bruun. Hot-wire anemometry. Cambridge university press.
  26. G. Janke. Hot wire in wall proximity. In G. Comte-Bellot and J. Mathieu, editors, Advances in Turbulence.
  27. C.F. Lange, F. Durst, and M. Breuer. Correction of hot-wire measurements in the near-wall region. Experiments in fluids, (26):475−477, 1999.119
  28. Л.П. Ярин, А. Л. Генкин, and В. И. Кукес. Термоанемометрия газовых потоков, pages 57−64. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1983.
  29. К. Winter. An outline of the techniques available for the measurement of skin friction in turbulent boundary layers. Progress in Aerospace Sciences, 18:1−55, 1977.
  30. L. Lofdahl and M. Gad-el-Hak. Mems applications in turbulence and control. Progr. Aerospace Sci., 35(2).101−195, 1999.
  31. E. Kalvesten. Pressure and wall shear stress sensors for turbulence measurements. Technical Report TRITA-ILA-9601, Stockholm, Sweden, 1996.
  32. E. Kalvesten, C. Vieder, L. Lofdahl, and G. Stemme. An integrated pressure-velocity sensor for correlation measurements in turbulent gas flows. Sensors and Actuators A, 52:51−58, 1996.
  33. F. Jiang, Y.-C. Tai, C.-M. Ho, and W. Li. A micromachined polysilicon hot-wire anemometer. In Solid-State Sensor and actuator Workshop. Hilton Head, 1994.
  34. H. Ludwieg. Instrument for measuring the wall shearing stress of turbulent boundary layers. Technical memorandum 1284, NACA, Washington, D.C., 1950.
  35. B. Bellhouse and L. Schultz. Determination of mean and dynamic skin friction separation in low-speed flow with a thin-film heated element. Journal of Fluid Mechanics, 24:379−400, 1966.
  36. A.N. Menendez and B.R. Ramaprian. The use of flush-mounted hot-film gauges to measure skin friction in unsteady boundary layers. Journal of Fluid Mechanics, 161:139−159, 1985.
  37. H.H. Fernholz, G. Janke, M. Schober, P.M. Wagner, and D. Warnak. New developments and applications of skin-friction measuring techniques. Measurement Science and Technology, 7:1396−1409, 1996.
  38. P.H. Alfredsson, A.V. Johansson, J.H. Haritonidis, and H. Eckelmann. The fluctuating wall-shear stress and the velocity-field in the viscous sublayer. Physics of Fluids, 31:1026−1033, 1988.
  39. P. Wagner. The use of near-wall hot-wire probes for time resolved skin-friction measurements. In A.V. Johansson and P.H. Alfredsson, editors, Advances in Turbulence, volume 3, pages 524−529. Springer-Verlag, 1991.
  40. Y. Nagano and T. Tsuji. Recent developments in hot-wire and cold-wire techniques for measurements in turbulent shear flows near walls. Experimental Thermal and Fluid Science, 9:94−110, 1994.
  41. Y.T. Chew, B.C. Khoo, and G.L. Li. A time-resolved hot-wire shear-stress probe for turbulent-flow — use of laminar-flow calibration. Experiments in Fluids, 17:75−83, 1994.
  42. B.C. Khoo, Y.T. Chew, and C.J. Teo. On near-wall hot-wire measurements. Experiments in Fluids, 29:448−460, 2000.
  43. H.L. Reed and W.S. Saric. Stability of three-dimensional boundary layers. Annu. Rev. Fluid Mech., 21:235−284, 1989.
  44. P. S. Klebanoff, K.D. Tidstrom, and L. M. Sargent. The three-dimensional nature of boundary layer instability. I. Fluid Mech., 12:1−34, 1962.
  45. Y.S. Kachanov, V.V. Kozlov, and V.Y. Levchenko. Nonlinear development of a wave in a boundary layer. Izv. Akad. Nauk SSSR, Mekh. Zhidk. Gaza, 5:85−94, 1977. in Russian.
  46. W.S. Saric, V.V. Kozlov, and V.Y. Levchenko. Forced and unforced subharmoriic resonance in boundary layer transition. Paper 84−0007, AIAA, 1984.
  47. F. Наша and J. Nutant. Detailed flow-field observations in the transition process in a thick boundary layer. In Proc. Heat Transfer and Fluid Mech. Inst., pages 77−93. Stanford Univ. Press, 1963.
  48. Y.S. Kachanov, V.V. Kozlov, V.Y. Levchenko, and М.Р. Ramazanov. Experimental study of the k-regime breakdown of a laminar boundary layer. Preprint 9−84, Inst. Theoret. Appl. Mech., USSR Acad. Sci., Novosibirsk, 1984. in Russian.
  49. T. Herbert. Secondary instability of boundary layers. Annu. Rev. Fluid Mech., 20:487 526, 1988.
  50. U. Rist and H. Fasel. Direct numerical simulation of controlled transition in a flat-plate boundary layer. I. Fluid Mech., 298:211−248, 1995.
  51. V.V. Kozlov, V.Y. Levchenko, and W.S. Saric. Formation of three-dimensional structures in a boundary layer at transition. Preprint 10−83, Inst. Theoret. Appl. Mech., USSR Acad. Sci., Novosibirsk, 1983. in Russian.
  52. S. Bake, H.H. Fernholz, and Y.S. Kachanov. Resemblance of k- and n-regimes of boundary layer transition at late stages. Eur. J. Mech. В Fluids, 19:1−22, 2000.
  53. H. Fasel. Numerical simulation of instability and transition in boundary layer flows. In D. Arnal and R. Michel, editors, Laminar Turbulent Transition, pages 587−598. Springer, 1990.
  54. E. Laurien and L. Kleiser. Numerical simulation of boundary layer transition and transition control. I. Fluid Mech., 199:403−440, 1989.
  55. Г. Р. Грек, М. М. Катасонов, В. В. Козлов, В. Г. Чернорай. Моделирование «пафф"-структур в дву- и трехмерных пограничных слоях. Препринт 2−99, Ин-т. теорет. и прикл. механики СО РАН, Новосибирск, 1999. 26 с.
  56. A.A. Bakchinov, G.R. Grek, V.V. Kozlov, and D.S. Sboev. Receptivity of a boundary layer to the vortex disturbances from the free stream, pages 22−27, Moscow, 1998. 3rd (Intern.) (Conf.) on Experimental Fluid Mechanics:
  57. В.М. Гилев, ' В. В. Козлов. Возбуждение волн Толлмина-Шлихтинга в пограничном слое на вибраторе. Препринт 19−83, АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т. теорет. и прикл. механики, Новосибирск, 1983.
  58. A.M. Тумин, ^ А. В. Федоров. Возбуждение волн неустойчивости в пограничном слое на вибрирующей поверхности. ПМТФ, (3):72—79, 1983.
  59. Ю.С. Качанов, ' Т. Г. Оболенцева. Развитие трехмерных возмущений в пограничном слое Блазиуса. 2. Характеристики устойчивости. Теплофизика и аэромеханика, 4(4):403−416, 1997.
  60. Yu.S. Kachanov. Three-dimensional receptivity of boundary layers. Europ. J. Mech. B. Fluids, 19(5):723−744, 2000.
  61. В.Г. Чернорай, Г. P. Грек, M.M. Катасонов, ' В. В. Козлов. Генерация локализованных возмущений вибрирующей поверхностью. Теплофизика и аэромеханика, 7(3):339−351, 2000.
  62. К.Н. Bech, R.A.W.M. Henkes, and D.S. Henningson. Linear and nonlinear development of localized disturbances in zero and adverce pressure gradient boundary-layers. Phys. Fluids, 10(6):115−131, 1998.
  63. J.M. Kendall. Studies on laminar boundary layer receptivity to freestream turbulence near a leading edge. In Boundary layer stability and transition to turbulence. S. t, volume 114, pages 23−30. ASME, 1991.
  64. Г. Р. Грек В. В. Козлов. Взаимодействие волн Толлмина — Шлихтинга с локализованными возмущениями. Сиб. физ.-техн. журн., 5:68−76, 1992.
  65. А.А. Бакчинов, Г. Р. Грек, М. М. Катасонов, и В. В. Козлов. Экспериментальное исследование взаимодействия продольных «полосчатых» структур с высокочастотным возмущением. Изв. РАН. Механика жидкости и газа, (5):39−49, 1998.
  66. Ю.С. Качанов, В. В. Козлов,. В. Я. Левченко. Возникновение турбулентности в пограничном слое. Новосибирск: Наука. Сиб. отд. ние, 1982.
  67. В.В. Козлов, В. Я. Левченко, B.G. Сарик. Образование продольных структур при переходе в пограничном слое. Изв. АН СССР. МЖГ, 6:42−50, 1984.
  68. Ю.С. Качанов, В. В. Козлов, В. Я. Левченко, М. П. Рамазанов. Природа К-разрушения ламинарного пограничного слоя: Обзор. Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук, 2:124−158, 1989.
  69. Ю.С. Качанов, В. В. Козлов, В. Я. Левченко. Нелинейное развитие волны в пограничном слое. Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа, 3:49−58, 1977.
  70. Y.S. Kachanov and V.Y. Levchenko. The resonant interaction of disturbances at laminar-turbulent transition in a boundary layer. J. Fluid Mech., 138:209−247, 1984.
  71. P.A. Elofsson. Experiments on oblique transition in wall-bounded shear flows. Doctoral thesis, Royal Institute of Technology. Dept. of Mechanics, Stockholm, 1998.
  72. C.F. Knapp and P.J. Roache. A combined visual and hot-wire anemometer investigation of boundary layer transition. AIAA J., 6(l):29−36, 1968.
  73. M. Nishioka, M. Asai, and S. Iida. An experimental investigation of the secondary instability. In Eppler and Fasel, editors, Laminar Turbulent Transition, pages 37−46. Springer-Verlag, 1980.
  74. Y.S. Kachanov. On the resonant nature of the breakdown of a laminar boundary layer. J. Fluid Mech., 184:43−74, 1987.
  75. U. Rist and H. Fasel. Spatial three-dimensional numerical simulation of laminar-turbulent transition in a flat-plate boundary layer. In Boundary Layer Transition and Control Conference, pages 25.1−25.9. Roy. Aero. Soc., 1980.
  76. I. Wygnanski, J.H. Haritonidis, and H. Zilberman. On the spreading of a turbulent spot in the absence of a pressure gradient. /. Fluid Mech., 123:69−90, 1982.
  77. Г. Р., Козлов В. В., Рамазанов М. П. Моделирование возникновения тур: булентного пятна из нелинейного волнового пакета. Моделирование в механике, 3(20)(1):46−60, 1989.
  78. Vjnps^rt, (Alip. д w is > .
  79. Г. Р. Грек, М. М. Катасонов, В. В. Козлов, В. Г. Чернорай. Экспериментальное исследование процесса развития уединенной А- и механизма ее трансформации в турбулентное пятно. Препринт 5−98, Ин-т. теорет. и прикл. механики СО РАН, Новосибирск, 1998. 40 с.
  80. T. Matsui and M. Okude. Visualization of generation process of a turbulent spot. In V.V. Kozlov, editor, Laminar-Turbulent Transition, pages 625−633. Springer-Verlag, 1985.
  81. A.V. Boiko, V.V. Kozlov, V.V. Syzrantsev, and V.A. Scherbakov. Experimental study of secondary instability and breakdown in a swept wing boundary layer, pages 289−295. IUTAM Symposium, Sendai/Japan, Springer-Verlag, 1995.
  82. G.R. Grek, V.V. Kozlov, B.G.B. Klingmann, and S.V. Titarenko. The influence of riblets on a boundary layer with embedded streamwise vortices. Phys. Fluids, 7(10):2504−2506, 1995.
  83. G.R. Grek, V.V. Kozlov, and S.V. Titarenko. An experimental study on the influence of riblets on transition. J. Fluid Mech., 315:31−49, 1996.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!