Измерение возмущений потока в сверхзвуковой аэродинамической трубе

Внедрение: 2021 г.

В работе [1] проведено экспериментальное измерение взаимной корреляции между пульсациями набегающего потока и возмущениями пограничного слоя плоской пластины с затупленной передней кромкой на скорости 2 Маха. Измерения проводились с помощью термоанемометра постоянной температуры в области ударных волн от двумерной неровности, расположенной на поверхности рабочего участка, а также в области вихрей в пограничном слое.

Эксперименты проводились в сверхзвуковой аэродинамической трубе Т‑325 ИТПМ СО РАН. Использовалась модель плоской пластины с радиусом передней кромки 0,5 мм, установленной под нулевым углом атаки. Синхронные измерения проводились с использованием двух термоанемометров постоянной температуры (CTA) серии CTA‑2017.

Рисунок 1. Общий вид сверхзвуковой аэродинамической трубы Т-325 (фото с сайта http://ns.itam.nsc.ru/).

Среднее напряжение и сигналы пульсации CTA оцифровывались с помощью АЦП E20‑10 с частотой дискретизации 1250 кГц и длиной выборки 219 точек. С помощью CTA получают данные о пульсациях массового расхода. По записанным данным рассчитывались средние и пульсационные параметры потока. Схема эксперимента представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема эксперимента: слева – расположение двумерной неровности (вид сбоку), справа – конфигурация ударной волны и траектории вихрей в пограничном слое (вид сверху).

Использовалась следующая система координат: ось Z совпадает с передней кромкой, ось X параллельна потоку, а ось Y перпендикулярна поверхности модели. Использовались два термоэлектрических зонда. Положение первого зонда фиксировалось под моделью. Нижний зонд располагался в точке X = 3, Y = -18, Z = 0, его расположение выбиралось таким образом, чтобы вносить минимальные искажения обтекания пластины. Второй термоэлектрический зонд располагался над моделью и мог перемещаться с помощью координатного устройства.

Было проведено три серии измерений. В первом случае верхний датчик термоанемометра перемещался параллельно передней кромке (по координате Z) в потоке до модели (X = -5 мм). Результаты этих измерений показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Пространственно-временные распределения коэффициента корреляции при X = -5 мм, Y = 7,3 (слева). Взаимосвязь между массовым расходом в измерительной части и массовым расходом в свободном потоке (справа).

Измерения показывают, что двумерная шероховатость на стенке рабочего участка туннеля порождает N‑волновое возмущение среднего потока. Во второй серии измерения проводились в пограничном слое пластины. Верхний датчик перемещался по координате Z на расстоянии X = 60 мм от передней кромки в сверхзвуковой части пограничного слоя в области максимального уровня возмущений пограничного слоя. Результаты этих измерений показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. При двумерной шероховатости на поверхности стенки испытательного участка. Пространственно-временные распределения коэффициента корреляции при X = 60 мм (Re_δ ≈ 812) в максимуме пульсационного пограничного слоя (слева). Связь между массовым расходом в измерительном сечении и массовым расходом в сечении пограничного слоя (справа).

В конце измерения были выполнены как во второй серии, но без двухмерной шероховатости на стенке испытательного участка. Эти результаты представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Без двумерной шероховатости на поверхности стенки испытательного участка. Пространственно-временные распределения коэффициента корреляции при X = 60 мм (Re_δ ≈ 812), в максимуме пульсационного пограничного слоя (слева). Взаимосвязь между массовым расходом в измерительной секции и массовым расходом в секции пограничного слоя (справа).

По результатам экспериментов были получены пространственно-временные распределения коэффициента корреляции в областях: X = -5 мм (передняя кромка), X = 60 мм (Re_δ ≈ 812). На этих же участках получены кривые среднего массового расхода, подтверждающие наличие модуляции свободного потока и пограничного слоя.

Впервые экспериментально были получены коэффициенты корреляции между пульсациями пограничного слоя плоской пластины с затупленной передней кромкой и пульсациями набегающего потока. Среди прочего, впервые получены коэффициенты корреляции между возмущениями свободного потока при наличии модуляции потока с использованием двумерной шероховатости на поверхности рабочего участка. Было показано, что вихри в пограничном слое только искажают распределение коэффициентов корреляции, но не разрушают его.

Источник:
AIP Conference Proceedings 2351, 040035 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0051980

Разработчик: Афанасьев Л.В., Косинов А.Д., Яцких А.А., Кочарин В.Л., Семёнов Н.В., Ермолаев Ю.Г. (ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск)