Исследование структуры турбулентного пограничного слоя на перфорированной поверхности

Исследование будет посвящено теоретическому и экспериментальному анализу турбулентного пограничного слоя начастично проницаемой, обтекаемой поверхности при больших числах Рейнольдса. Из широкого класса проницаемости,в работе будут рассмотрены поверхности с упорядоченными отверстиями, либо щелями. В настоящее времяперфорация - это принципиальное оснащение рабочей части трансзвуковых аэродинамических труб (АДТ);воздухозаборников сверхзвуковых самолетов и мотогондол реактивных двигателей гражданских самолетов и,возможно, воздухозаборника перспективного прямоточного гиперзвукового двигателя. Перфорация такжеприменяется для принудительного вдува/отсоса газа в турбулентный пограничный слой и, как следствие, еголаминаризации либо изменения свойств, на элементах летательных аппаратов различного назначения. Перфорация врабочей части АДТ изготавливается в виде упорядоченно расположенных круглых отверстий, либо в виде продольныхщелей, допускающих перетекание газа из рабочей части трубы в камеру давления и обратно.Несмотря на широкое использование перфорации, теория турбулентного пограничного слоя на проницаемойповерхности слабо развита, т.к. ламинарный подслой возникает только на сплошной поверхности, а на каждомотверстии происходит либо сложное перемешивание воздуха из ламинарного подслоя и из отверстий, либо обратноеистечение газа в камеру давления. В результате, формальное применение осредненных уравнений рейнольдса дляпограничных слоев на перфорированной поверхности не эффективно, т.к. не ясно как использовать закон стенки изамыкать систему.Актуальность настоящей работы несомненна - числа Рейнольдса на стенке рабочей части в АДТ и на элементахлетательных аппаратов достигают 10-300 млн и больше, то есть пограничные слои исключительно турбулентные иматематическое моделирование их взаимодействия с перфорированной стенкой необходимо, чтобы выделитьадекватную модель турбулентности.Заявка № 20-11-20006 Страница 2 из 39Научная новизна проекта обусловлена как нерешенностью этой задачи, так и возможностью использовать для анализаасимптотические методы, давшие прорывные результаты в отрывных течениях вязкой жидкости, что позволит сделатьрывок и в данном исследовании. В работе предполагается использовать данные методы (см. Асимптотическая теорияотрывных течений. Под ред. Сычева Наука 1987, Асимптотическая теория сверхзвуковых течений вязкого газа.Нейланд и др. 2004) для анализа полных уравнений Навье-Стокса при больших числах Рейнольдса в турбулентномпограничном слое на сплошной и перфорированной поверхностях. Авторы уже успешно применили асимптотическиеметоды для анализа турбулентных течений в плоских струях и слоях смешения (работы приложены к заявке).Экспериментальное изучение течения воздуха вблизи отверстий и продольных щелей на модельной поверхности вАДТ АТ-3 МФТИ даст сопоставление теоретических и опытных данных и позволит с учетом периодичности отверстийперфорации выработать "периодическую" модель турбулентности по двум направлениям, пригодную для расчетаподобных пограничных слоев. Напомним, что в турбулентном пограничном слое существуют собственныепериодические по времени и пространству явления - так называемые подковообразные вихри и всплески "bursts", вкоторых медленная струйка поднимается со стенки в пограничный слой и смешивается с потоком (см. Репик и Соседко,"Турбулентный пограничный слой", ФИЗМАТЛИТ 2007). В работе будет в том числе изучаться и влияние вынужденных,периодических по пространству решений, обусловленных перфорацией, на процессы обновления турбулентногопограничного слоя генерирующего "bursts", в частности возникает вопрос о возможности их подавления. В работебудет подробно изучаться найденный авторами в этом году самоиндуцированный распределенный подсос газа извнешнего потока в турбулентный пограничный слой. Как выясняется он обеспечивает передачу кинетической энергиииз областей с высокими скоростями течения в зону генерации турбулентности. Данное явление носит принципиальныйхарактер и теоретически подтверждает физический факт о действии "турбулентной вязкости" по всей толщинепограничого слоя.В трансзвуковых АДТ толщина пограничного слоя достигает 20 см, а размер отверстий 1-2 см, то есть на порядокменьше, что позволяет рассматривать отверстия как асимптотически малые величины. С другой стороны шагразмещения отверстий 3-4 см, что сопоставимо с диаметром. Что касается продольных щелей, то ситуация совершенноиная, периодичность возможна только по поперечной координате, однако каждая щель шириной до 4 см и длиной до 5м может рассматриваться как тонкое тело, обтекаемое турбулентным пограничным слоем в рамках теории плоскихсечений.У мотогондол перфорация перепускает воздух между потоком перед двигателем и малыми замкнутыми полостями всотовом звукопоглощающем материале, что позволяет уменьшить излучение звука. Понятно, что обмен воздухомпроисходит между полостями и существенно трехмерным пограничным слоем, что также ставит вопрос о моделиразвития турбулентного пограничного слоя на перфорированной поверхности. В сверхзвуковых воздухозаборникахперфорация используется для уменьшения толщины пограничного слоя при торможении потока перед компрессором.При этом пограничный слой частично выдавливается в окружающее воздухозаборник пространство. Вопросиспользования перфорации в воздухозаборнике гиперзвукового двигателя не так очевиден, но большие толщиныпограничных слоев на гиперзвуке наводят на мысли об использовании перфорации для исключения эффектовзапирания. И наконец, ламинаризация турбулентных пограничных слоев на оперении и на части фюзеляжадальнемагистральных самолетов за счет вдува-отсоса через перфорированную поверхность, это серьезный ресурс дляснижения сопротивления самолета и, как следствие, заметное снижение расхода топлива. Расход топлива может бытьснижен до 2 %. Достаточно сказать, что перфорация оперения Боинга-787 уже реализована в качестве серийногооснащения, а для отсоса используется вспомогательная силовая установка. Важно отметить, что конкурентноепреимущество получат те производители авиационной техники, которые будут внедрять снижение сопротивления навыпускаемых ими летательных аппаратах и будут применять результаты настоящего исследования, обеспечивающиеоптимальную геометрию проницаемых стенок воздухозаборников и мотогондол.