СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬЮ В ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОМ ПОТОКЕ Российский патент 1997 года по МПК F15D1/00 

Изобретение относится к прикладной газодинамике, в частности к способам управления пограничным слоем и может быть использовано, например, в аэро-гидродинамических трубах для регулирования турбулентности потока в ядре рабочей части.

Известны технические решения для управления турбулентностью потока, при которых воздействуют на структуру потока путем установки на его пути, хонейкомбов, детурбулизирующих сеток (авт.св. N 1298435, кл. F 25 D 1/00, 1985).

Недостатками данного решения является невозможность получить низкий уровень турбулентности потока в рабочей части трубы, необходимый, например, для исследований развития пограничного слоя. Для получения низкого уровня турбулентности в ядре потока рабочей части в форкамере трубы устанавливают хонейкомбы и сетки, а переход от форкамеры к рабочей части осуществляют посредством сопла (коллектора) со значительным поджатием (Transactions of the ASME Journal of Applied Mechanics, IX, N 3-4, p. 319, 1959).

Применение этих средств детурбулизлации приводит к развитию на стенках коллектора и начального участка рабочей части трубы ламинарного пограничного слоя, который ниже по течению переходит в турбулентный. Область перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный занимает значительную часть обтекаемой поверхности рабочей части и вызывает значительный рост уровня турбулентности в ядре потока. С изменением скорости шероховатости внутренней поверхности рабочей части местоположение области перехода смещается по длине рабочей части, вызывая соответствующее смещение зоны повышенной турбулентности в потоке, т.е. дополнительную нестабильность параметров потока.

Для снижения влияния пограничного слоя на стенках трубы на уровень турбулентности в ядре рабочей части известно применение слива пограничного слоя на выходе потока из форкамеры (AJAA 90-1391). Эта мера приводит к смещению перехода в сторону более высоких скоростей потока, но не устраняет наличие протяженной области перехода в пограничном слое на стенках рабочей части трубы.

Для управления развитием пограничного слоя известен способ, принятый за прототип, при котором воздействуют на структуру пограничного слоя посредством размещения на его периферии детурбулизатора, характерные размеры которого выбирают на основании результатов измерения профиля скоростей и интегральных параметров пограничного слоя (СССР, авт.св. N 1086246, 1979).

Однако установка детурбулизатора в вязком подслое турбулентного пограничного слоя и выбор его характерных размеров на основании измеренных параметров турбулентного пограничного слоя вызывают детурбулизирующий эффект в слое вниз по потоку от детурбулизатора, не приводя к снижению уровня турбулентности в ядре потока.

Задачей изобретения является уменьшение турбулентности потока в рабочей части аэро-гидродинамических труб и уменьшение местного коэффициента трения.

Техническим результатом является создание аэро-гидродинамических труб с низкой турбулентностью потока в рабочей части и уменьшенным местным коэффициентом трения.

Технический результат достигается тем, что в способе управления турбулентностью в плоскопараллельном потоке, при котором воздействуют на структуру пограничного слоя на управляемом участке потока с помощью размещенного на его периферии детурбулизатора, характерные размеры которого выбирают на основании результатов измерения профиля скорости и интегральных параметров пограничного слоя, измерение профиля скорости производят в ламинарной области пограничного слоя непосредственно перед управляемым участком, а на последнем, с помощью упомянутого детурбулизатора, воздействуют преимущественно на строение вязкого подслоя для формирования локальных турбулентных структур, вытесняющих ламинарный слой от периферии к оси потока, при этом воздействуют на строение вязкого подслоя с помощью детурбулизатора, выполненного в виде упорядоченной продольно ориентированной шероховатости с характерным размером, определяемым из соотношения:
,
где n коэффициент кинематической вязкости, м²/с,
h высота шероховатости, м,
h⁺ безразмерная относительная высота шероховатости,
v* динамическая скорость, м/с, определяемая из соотношения
,
где u_∞ скорость набегающего потока, м/с,
C_f местный коэффициент трения в отсутствии детурбулизатора, или детурбулизатора, выполненного в виде проволоки с диаметром, определенным из соотношения , где d диаметр проволоки; или детурбулизатора, выполненного в виде упорядоченной шероховатости с элементами в форме сферических лунок или выступов.

При этом достигают следующий технический эффект.

Протяженность области перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный вдоль течения сводится к минимуму и практически происходит в зоне расположения детурбулизатора, а ламинарный слой вытесняется в ядро потока, обеспечивая значительное снижение турбулентности. Воздействие детурбулизатора на вязкий подслой вызывает также формирование локальных турбулентных структур, приводящих к уменьшению гидравлического сопротивления. Проведенные испытания и расчеты показали, что применение предлагаемого способа позволило уменьшить местное гидравлическое сопротивление прямоточной трубы вентиляционного типа на 8 16 и ликвидировать пик турбулентности в ядре потока в зависимости от его скорости. Турбулентность была снижена с 0,1 до 0,04
На фиг. 1 изображена схема аэродинамической трубы, на которой была проведена проверка предлагаемого способа; на фиг. 2 зависимость турбулентности потока ε_o,% в ядре рабочей части трубы от скорости потока u_∞.; на фиг. 3 и 4 зависимости относительной величины местного коэффициента трения от безразмерного параметра слоя h⁺ и S⁺ соответственно.

Аэродинамическая труба (фиг. 1) содержит входной коллектор 1, набор детурбулизирующих сеток 2, суживающееся сопло 3, рабочую часть 4 и пристенный детурбулизирующий элемент 5. Детурбулизирующий элемент был выполнен в виде бороздок, пилообразного поперечного сечения. Высота зубьев h 0,035 мм, расстояние между вершинами зубьев S 0,063 мм. Детурбулизирующий элемент размещался на обтекаемой стенке входа в рабочую часть по всему периметру нормального сечения с ориентацией бороздок вдоль потока.

Высокотурбулентный поток поступает во входной участок 1 трубы (фиг. 1). Проходя через детурбулизирующие сетки 2, крупные неоднородности потока дробятся и затухают. В сопле 3 происходит быстрое ускорение потока, что вызывает переход турбулентности пограничного слоя в ламинарный ("реверс") на стенках сопла. На выходе из сопла (или входе в рабочую часть) измеряют профиль скорости и определяют оптимальные размеры элементов шероховатости детурбулизатора . Детурбулизатор 5 наносится непосредственно на обтекаемую поверхность трубы вблизи начала рабочей части 4 по всему периметру поперечного сечения. Для решения задачи устранения влияния области перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный достаточно, чтобы длина детурбулизатора 5 была порядка толщины пограничного слоя "δ".

Детурбулизатор 5 течения в ядре потока является одновременно турбулизатором пограничного слоя и обеспечивает полную турбулизацию слоя практически в месте его установки, ликвидируя обычно протяженную область перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Многократное уменьшение турбулентности потока в рабочей части иллюстрируют графики фиг. 2, где кривая II получена при работе трубы без детурбулизатора, кривая I с детурбулизатором.

С точки зрения экономии расхода электроэнергии важно, чтобы характерные размеры детурбулизатора 5 обеспечивали наибольшее уменьшение местного коэффициента трения C_f по сравнению с соответствующей его величиной при отсутствии детурбулизатора. Как видно из фиг. 3 и 4 это имеет место при 2 ≅ h⁺ ≅ 10 и S⁺ (1 3)h⁺.

Использование: в прикладной газодинамике. Сущность изобретения: для управления турбулентностью в плоскопараллельном потоке воздействуют на структуру пограничного слоя на управляемом участке потока с помощью размещенного на его периферии детурбулизатора, воздействующего преимущественно на строение вязкого подслоя для формирования локальных турбулентных структур, вытесняющих ламинарные слои от периферии к оси потока, причем измерение профиля скорости производят в ламинарной области пограничного слоя непосредственно перед управляемым участком. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления турбулентностью в плоскопараллельном потоке, при котором воздействуют на структуру пограничного слоя на управляемом участке потока с помощью размещенного на его периферии детурбулизатора, характерные размеры которого выбирают на основании результатов измерения профиля скорости и интегральных параметров пограничного слоя, отличающийся тем, что измерение профиля скорости производят в ламинарной области пограничного слоя непосредственно перед управляемым участком, а на последнем с помощью детурбулизатора воздействуют преимущественно на строение вязкого подслоя для формирования локальных турбулентных структур, вытесняющих ламинарные слои от периферии к оси потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействуют на строение вязкого подслоя с помощью детурбулизатора, выполненного в виде упорядоченной продольно ориентированной шероховатости с характерным размером, определяемым из соотношения

где n коэффициент кинематической вязкости, м²/с;
h высота шероховатости, м;
h⁺ безразмерная относительная высота шероховатости;
v^* динамическая скорость, м/с, определяемая из соотношения

где u_∞ скорость набегающего потока, м/с;
C_f местный коэффициент трения в отсутствие детурбулизатора. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействуют на строение вязкого подслоя с помощью детурбулизатора, выполненного в виде проволоки диаметром d, определяемым из соотношения

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействуют на строение вязкого подслоя с помощью детурбулизатора, выполненного в виде упорядоченной шероховатости с элементами в форме сферических лунок или выступов.