ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Лашков, Н.В. Самойлова (М о с к в а). К вопросу о сопротивлении трения пластины со сферическими углублениями из "Механика жидкости и газа 2002 N02 " Прямым весовым методом измерено сопротивление плоских поверхностей со сферическими углублениями. Испытания проводились в малотурбулентной аэродинамической трубе с поперечным сечением 1000 х 1000 и длиной 4000 мм. Исследованы три поверхности с углублениями, имеющими диаметр 7.0, 3.9 и 1.3 мм и глубину соответственно 0.5, 0.3 и 0.2 мм. Показано, что при числах Ке = (3-9)- 10 и Л/ 0.3 и турбулентном режиме обтекания сферические углубления увеличивают сопротивление плоской поверхности. Не обнаружено заметного влияния сферических углублений на положение ламинарно-турбулентного перехода при Ке,-3 - 10 . [c.69] В 1978-1984 гг. в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова был обнаружен эффект образования над трехмерными сферическими углублениями смерчеобразных вихревых структур, которые возникали при обтекании газом или жидкостью поверхности с такими углублениями [1 ]. В этих работах предложен новый способ интенсификации теплообмена посредством формирования на гладкой поверхности шахматно-упорядоченной системы сферических углублений. При обтекании таких поверхностей жидкостью или газом наблюдались самоорганизующиеся динамические структуры , истекающие из углублений в виде вихрей. [c.69] Авторы указанных работ отмечают, что существенная интенсификация теплообмена (иногда в несколько раз) происходит без опережающего роста гидродинамического сопротивления обтекаемой поверхности в значительном диапазоне чисел Рейнольдса. По мнению авторов, при обтекании поверхности с указанной системой углублений образуется столбообразный вихрь с характерным поперечным размером, близким к радиусу углубления, который выходит в ядро потока теплоносителя и обеспечивает интенсивный теплообмен между пристеночной частью течения и ядром основного потока, не изменяя при этом степени турбулентности потока, а следовательно, и гидродинамического сопротивления . Последнее утверждение вызывает сомнения в его достоверности, несмотря на то, что при обсуждении полученных результатов сообщалось о некоторых случаях, когда гидравлическое сопротивление поверхности с углублениями типа сферических лунок не превышало или даже было меньше, чем гидравлическое сопротивление гладкой пластины. Снижение сопротивления в указанных случаях, по-видимому, было обусловлено парообразованием, сопровождающим процесс образования вихрей в жидкости над лунками. [c.69] Исследование теплообмена и гидродинамики при обтекании поверхностей с упорядоченно расположенными углублениями и выступами представляет собой малоизученную область тепломассообмена. Экспериментальные исследования, связанные с измерениями гидравлического сопротивления образцов с различными видами шероховатости, образованной в основном упорядоченно расположенными выступами, были вьшолнены Шлихтингом [5]. [c.69] 12] сообщается интересный факт об увеличении дальности полета при броске мяча для игры в гольф за счет нанесения сферических лунок на его поверхность. Возможно, это обусловлено уменьшением области отрыва при обтекании шара (мяча) вследствие турбулизации потока при наличии лунок, что приводит к снижению сопротивления. Однако из этого не следует, что при обтекании тела с более совершенной в аэродинамическом смысле формой, чем шар, нанесение лунок приведет к снижению сопротивления, тем более при безотрывном обтекании плоской поверхности. [c.70] Базовая модель, на которой проводились исследования, представляла собой пластину длиной 3380 мм, размахом 1000 мм и максимальной толщиной 110 мм. Носок пластины был выполнен в виде полуэллипса (отношение осей 1 12), хвостовая часть имела оживальную форму, В аэродинамической трубе пластина устанавливалась горизонтально в среднем по высоте сечении рабочей части. Передняя кромка пластины была удалена на 460 мм от сечения сопряжения сопла трубы с ее рабочей частью. [c.70] В пластине был вырезан люк размером 285 х 285 мм, в котором размещалась подвижная ( плавающая ) платформа однокомпонентных весов с полупроводниковым тензоэлементом. Исследуемые поверхности наклеивались на подвижную платформу весов и устанавливались в люке заподлицо с поверхностью неподвижной базовой пластины. Рабочая поверхность исследуемых образцов и прилегающая поверхность базовой пластины с погрешностью не более 0.02 мм были плоскими. Зазор между плавающей платформой и неподвижной пластиной составлял примерно 0.1 мм у передней и около 0.2 мм у задней и боковых кромок. Середина платформы располагалась на расстоянии 20СЮ мм от носка пластины. Погрешность измерения касательной силы не превышала 1% [13]. [c.70] Здесь d и h - диаметр и глубина лунки, а - расстояние между лунками,- скважность (отношение суммарной площади лунок в плане к площади поверхности исследуемой пластины). На всех поверхностях имело место гексагональное расположение лунок. Поверхности 1 и 2 были изготовлены в ИАЭ им. И.В. Курчатова в лаборатории Г.И. Кикнадзе. [c.71] Испытания проводились как при естественно развившемся на пластине пограничном слое, так и при искусственно сформированном с помощью турбулизатора, Турбулизатор вьшолнен в виде полосы высотой 3 мм и хордой (расстояние по потоку) 20 мм, которая располагалась по всему размаху пластины в сечении сопряжения эллиптического носка с плоской поверхностью на расстоянии 450 мм от передней кромки базовой пластины. [c.71] При испытаниях поверхностей 1 и 2 вначале измерялась касательная сила, действующая на поверхность с лунками, а затем - касательная сила, действующая на гладкую поверхность, которая создавалась путем тщательной шпаклевки углублений при неизменной установке плавающей платформы. В отличие от этой процедуры сопротивление поверхности 3 и сопротивление соответствующей гладкой пластины измерялись при различных установках платформы весов. [c.71] Для выяснения влияния расположения лунок относительно направления потока на сопротивление поверхности 3 она наклеивалась на вращающийся относительно плавающей платформы диск диаметром 279.5 мм. Поверхность диска с наклеенным образцом устанавливалась заподлицо с невращающейся частью платформы. В этом случае часть поверхности плавающей платформы (на диске) была с углублениями, а периферийная часть платформы - гладкой. Это обстоятельство учитывалось при обработке результатов в предположении отсутствия взаимного влияния гладкой и формованной лунками частей поверхности плавающего элемента. [c.71] Здесь jz - суммарный коэффициент сопротивления платформы, j - коэффициент трения гладкой поверхности, рассчитанный с помощью указанной выше аппроксимации. [c.71] В процессе проведения испытаний измерялись касательная сила, скоростной напор, температура и статическое давление потока в рабочей части. По измеренным параметрам вычислялись скорость потока i/ , единичное число Рейнольдса R и коэффициент сопротивления по методике, изложенной в [13]. [c.71] Помимо указанных испытаний для исследования ламинарно-турбулентного перехода было измерено распределение пульсаций продольной скорости по длине на поверхности 2 и на гладкой пластине при нескольких значениях скорости i/ . Это осуществлялось с помощью специального координатника, который перемещался вдоль оси X. В координатнике на расстоянии 0.4 мм от поверхности пластины закреплялся однонитевой термоанемометрический датчик, показания которого фиксировались аппаратурой фирмы DISA. [c.72] Исследования ламинарно-турбулентного перехода на поверхности 3 проводились в аэродинамической трубе Т-36И с незамкнутым контуром. Длина рабочей части трубы 2.7 м, прямоугольная рабочая часть 350 х 500 мм, скорость потока до 65 м/с. Среднеквадратичные пульсации скорости в свободной рабочей части не превышают 0.06%. [c.72] Пленка с лунками наклеивалась на нижнюю стенку аэродинамической трубы. Аналогично измерениям в аэродинамической трубе Т-124 профили пульсаций продольной скорости измерялись на высоте -0.5 мм от исследуемой поверхности при постоянной скорости потока в рабочей части. Измерения проводились при скоростях потока от 18 до 32 м/с. По положению максимума пульсаций скорости определялось число Рейнольдса ламинарно-турбулентного перехода Ке,. [c.73] На фиг. 3 приведены результаты измерений относительного коэффициента сопротивления сус)о поверхностей со сферическими углублениями в зависимости от единичного числа КС] при использовании турбулизатора. Из приведенных данных видно, что во всем исследованном диапазоне турбулентных режимов течения сопротивление пластин со сферическими углублениями превышает сопротивление трения гладкой пластины. При этом относительный коэффициент сопротивления поверхностей 1 и 2 при КС) 3 10 стабилизируется и выходит на полку (превышение по сравнению с сопротивлением гладкой пластины составляет соответственно 30 и 20%). Сопротивление поверхности 3 монотонно возрастает по сравнению с сопротивлением трения гладкой поверхности во всем исследованном диапазоне режимов течения. [c.73] При исследовании влияния расположения углублений относительно направления потока (поверхность 3) на сопротивление было установлено, что направление течения весьма слабо влияет на сопротивление указанной поверхности изменение составляло не более чем 3% при варьировании направления потока в пределах угла 20°. [c.73] Следует отметить, что при наклейке поверхности 3 обратной стороной (вверх выступами) сопротивление оказалось примерно на 10% ниже, чем для поверхности с лунками. [c.73] На фиг. 4 для трех значений скорости потока в рабочей части аэродинамической трубы Т-124 приведены зависимости относительных пульсаций продольной скорости от координаты х, измеряемой от носка базовой пластины, для гладкой поверхности и поверхности 2. Относительная величина среднеквадратичных пульсаций продольной скорости (е) определялась как отношение величины пульсаций скорости в данной точке к максимальной величине пульсаций в области ламинарнотурбулентного перехода. Из приведенных данных видно, что с ростом скорости потока в рабочей части область перехода перемещается вверх по потоку, и при = 23 м/с максимум пульсаций располагается практически посередине плавающего элемента, находящегося на расстоянии 2 м от носка пластины. Отметим, что присутствие сферических углублений по крайней мере не приводит к более раннему переходу. [c.73] Вернуться к основной статье