Толкачев Коврижина_v3x

ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕРМОИНДИКАТОРОВ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ
ЗА ЛОКАЛИЗОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ВОЗМУЩЕНИЙ
НА ПЕРЕДНЕЙ КРОМКЕ СКОЛЬЗЯЩЕГО КРЫЛА
С.Н. Толкачев, Г. М. Жаркова, В.Н. Коврижина
Институт Теоретической и Прикладной Механики СО РАН им. С.А.
Христиановича, ул. Институтская 4/1, Новосибирск 630090
Высокая чувствительность пограничного слоя к различным возмущениям стимулирует развитие и применение бесконтактных и малоинвазивных тонкопленочных оптических методов.
К современным малоинвазивным панорамным методам, основанным на изменении оптических свойств тонкопленочных сенсоров, относятся и методы, использующие термо-оптические эффекты в жидких
кристаллах (ЖК), [1]. Метод жидкокристаллической термографии
(ЖКТ) в сочетании с видеозаписью применяется и для визуализации
структуры пристенных течений в условиях малых скоростей и градиентов температур как в ламинарном, так и в турбулентном состоянии. Эти
покрытия полезны для панорамной экспресс диагностики картины течения и влияния на нее различных факторов, для определения мест локализации областей отрыва и присоединения потока, установки дискретных датчиков и т.д. В частности, в ИТПМ данный метод диагностики
успешно применялся ранее для параметрических исследований изменения структуры дозвукового течения на поверхности моделей прямого и
скользящего крыльев при воздействии повышенного уровня турбулентности, а также влияния акустических возмущений [2, 3].
Для исследования устойчивости пограничного слоя скользящего
крыла естественно использовать элементы шероховатости канонической формы: цилиндр, полусфера, конус и т.д. Однако для методики
контролируемых возмущений технически проще смоделировать шероховатость с помощью вдува через отверстие малого диаметра. Возможность исследования вклада каждого из таких источников возмущений
позволяет их называть локализованными.
В докладе представлены результаты исследования структуры пристенного течения за локализованными источниками возмущения методом жидкокристаллической термографии. Особенности данной методики позволили установить влияние скорости вдува, местоположения локализованного источника возмущения на передней кромке скользящего
 Толкачев С.Н., Жаркова Г.М., Коврижина В.Н. 2014
1
крыла и расстояния между двумя элементами шероховатости на развитие возмущений.
В
экспериментах
использовались
жидкокристаллические
пленочные термоиндикаторы изготовленные в ИТПМ СО РАН на
основе жидких кристаллов, имеющих спиральную надмолекулярную
структуру. Такая спиральная структура формируется у разновидности
ЖК называемой холестерическими ЖК (или холестериками), их смесей,
закрученных нематических ЖК, и смесей НЖК и ХЖК. Оптические
свойства спиральной структуры определяются величиной шага спирали
р и ориентацией ее оси относительно поверхности. Величина шага
спирали зависит от температуры. Капсулирование ЖК в полимерную
пленку защищает от влияния механического сдвига. Если оси спиралей
в слое перпендикулярны поверхности, то такая текстура называется
планарной. При нормальном падении света на планарный слой ЖК он
будет селективно отражать свет с длиной волны, примерно равной шагу
спирали р. Для многих ХЖК шаг спирали лежит в диапазоне длин волн
р = 400 – 1000 нм, и поэтому поверхность выглядит окрашенной.
Использовался ЖК термоиндикатор с рабочим температурным
диапазоном Т = 5°K.
В дозвуковых АТ, где градиенты температур на поверхности
обтекаемого тела малы, применяется стационарный метод ЖК
термографии, при котором предварительно перегретая (омическим или
радиационным
способом)
поверхность
модели
охлаждается
набегающим потоком. При условии постоянства плотности теплового
потока на поверхности области одинакового цвета ЖК будут
соответствовать изотермическим областям и областям c одинаковой
плотностью теплового потока (изостантонам). Интерпретация
зарегистрированных ЖК термограмм связана с тем, что большей
теплоотдаче соответствуют относительно холодные участки, тогда как
при меньшей теплоотдаче с поверхности, ее температура будет более
высокой.
Эксперимент проводился в малотурбулентной аэродинамической
трубе Т-324 Института теоретической и прикладной механики СО РАН
с поперечным сечением рабочей части 1000×1000 мм и длиной 4000 мм.
Степень турбулентности потока не превышала 0.03 %. Скорость набегающего потока контролировалась с помощью трубки Пито – Прандтля.
При изучении влияния точечного вдува на структуру течения скорость задавалась в интервале U∞ = 3.4 – 9.4 м/с. Температура воздуха
составляла 293 ± 1°К. На передней кромке крыла находилось отверстие
диаметром dотв = 0.5 мм, соединенное с компрессором с помощью пнев-
2
мотрассы. Отверстие было расположено так, чтобы при нулевом угле
атаки оно совпадало с точкой растекания набегающего потока. Угол
атаки модели задавался в интервале  = -0.16 – 2.6°.
В экспериментах по исследованию влияния шероховатости на
структуру течения в качестве элементов шероховатости использовались
стразы ss6 высотой 1.3 мм и радиусом 1 мм. Скорость набегающего потока составляла U ͚ = 9.3 м/с. Угол атаки модели был равен = -10.7°.
В целях улучшения качества визуализации освещение рабочей части было дополнено двумя галогенными лампами, по 100 Вт каждая, с
рефлектором. Лампы были расположены так, чтобы освещение рабочей
области передней кромки крыла при фотосъемке не давало бликов. При
выборе положения ламп принималось во внимание их влияние на течение в трубе.
Для исследований на передней кромке был выбран простейший
профиль, образованный цилиндром радиусом r = 40 мм и двумя сходящимися плоскостями. Хорда крыла составляла ch = 400 мм, а угол
скольжения χ = 45°, с возможностью плавного изменения угла атаки.
Возмущения, развивающиеся на стенках рабочей части, отсекались концевыми пластинами.
Полученные экспериментальные данные (ЖК термограммы) позволили установить ряд закономерностей, в том числе:
1) увеличение скорости вдува приводит к увеличению амплитуды
продольных возмущений (Рис.1.);
2) изменение положения точки введения возмущения относительно
линии растекания сильно влияет на траекторию развития стационарных
возмущений;
3) cильный вдув может привести к сложным нелинейным эффектам: мультипликации вихрей, резкой турбулизации течения;
4) cближение шероховатостей приводит к резкой дестабилизации
течения (Рис.2.). При этом возникают дополнительные продольные
структуры, по-видимому, связанные с нелинейным этапом развития
вторичных возмущений.
Установлено что на передней кромке скользящего крыла имеется
область максимальной восприимчивости к одиночной шероховатости,
положение которой отличается от линии растекания, где толщина пограничного слоя минимальна.
3
Рис.1. Картины ЖК визуализации стационарного возмущения, введенного на
расстоянии 1.24 мм. от линии растекания.
Скорость возбуждающей струи: а) 0.8 м/с, б) 1.1 м/с, в) 2.5 м/с, г) 13.8 м/с. Скорость потока 3.4 м/с. (Серыми линиями обозначены видимые верхняя и нижняя границы цилиндра,
составляющего переднюю кромку крыла; белой линией обозначена линия растекания).
Рис.2. ЖК-визуализация вихрей неустойчивости поперечного течения для различных расстояний между стразами в качестве элементов шероховатости.
Расстояние между стразами: а)  = 3.1 мм, б)  = 5.3 мм, в)  = 13.4 мм. Черным цветом обозначена линия перехода цилиндрической части профиля в плоскую.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Г.М. Жаркова, В.Н. Коврижина, В.М. Хачатурян. Экспериментальное исследование дозвуковых течений методом жидкокристаллической термографии // ПМТФ, т.43,
№2, с. 122-128, 2002
2. G.M. Zharkova, B.Yu. Zanin, V.N. Kovrizhina and A.P. Brylyakov Free Stream
Turbulence Effect on the Flow Structure over the Finite Span Straight Wing. // J. of visualization. Japan, V. 5, No 2, p. 169-176, 2002
3. Брыляков А.П., Жаркова Г.М, Занин Б.Ю., Коврижина В.Н., Сбоев Д.С. Стационарные продольные структуры в пограничном слое на скользящем крыле при повышенной степени турбулентности набегающего потока // ПМТФ, т.44 , № 5, с. 56-64, 2003
4