Определение интенсивности (степени) турбулентности потока аэродинамической трубы двумя способами

1ос:овский Гос с стве|тньй Унивс сптот 1п!..',!.В.Ломоносова ЫЕХАЖПО-ИТИЕ.Т1ЛЕСБ7.".ФАКУЛЬТЕТ 1"~~ЕДРА АБРО~ДЕУАНЖИ И ГАБРОВО . ШПИ;ППИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА по специальному практикуму для студентов 4-го курса ОПЩПЯЕНИЕ ИнтжСИВНОСТИ (СТЕПЕНИ) ТУРж ЛЕНТНОСТИ ПОТОКА АЭРОДИНАИИЧЕСКОЛ ТРЛН ДВУМЯ СПОСОБАЫИ ИЯПРЕНЖЧ: ПЕРЕПЬДО[Я ДАВЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ШАРА И ТЕРЦОАНЕЯОЪВТРО!.1. Пель работы - определить критическое число Рейнольдса Й, и установить интенсивность турбулентности ЕД потока аэродинэмичес- кой трубы. В результате эксперимента должен быть получен грэ4ик зависимости безразмеРного пеРепэда давлениЯ Р вЂ” Е=-Ф (1) г) ( ф~ — давление в донной части на поверхности шара, ~О, К соответственно статическое давление и скорость набегающего потока, Я вЂ” плотность газа) от числа ф~ = ( а~ - диаметр ь' ° / шаоа и ~ - коэщфициент кинематической вязкости) и определено критическое число ©~ , после чего по известной зависимости Драйдена б = у 'тенин ) оврелеляется интенсивность турбулентности иотоне аэродинамической трубы С ~„.

Кроме того, С ~~ измеряется с помощью термоанемометра при всех участвующих в экспержаенте числах 4.. Таким образом, устанавлива ется зависимость Е ~~ от числа ~а в потоке аэродннэмической трубы и проверяется согласованность (" стыковка" ) результатов в определении ~ ~~ двумя разлпрп~ыми способ,".ми. Описаннс работы составил А.М.Комаров. ОБ'"'1Е СЗ "НИЛ ПО ТГОРИИ БОПРС::. 1. Интенсивность турбулентности — одна пз харакгерпсг -' г-"бу- ленгного потока. Поток, набеганций на тело, обычно заполнен мелкими ь-.; .я.,-.

3 аэродинамических трубах источником таких вихрей являются различные элементы, находящиеся в потоке (спрямляющие решетки, лопатки колен и т.д.), а также сами стенки трубы. При наличии мелких вихрей в потоке скорость его все время пуль сирует ( рис.. 1 ), т.к. несомые потоком разнообразные вихри, дискрет- ные и континуэльные, будут то увеличивать, го уменьшать местную ско- рость в зависимости ог их направления вращения и положения относительно измерителя скорости потока (датчика). Обычные измерители (кро- ме допплеро- и термоанемометричсских),применяемые при аэродин мическн исследованиях, дают лишь осредненную по времени скорость потока. Рис.1 Пульсация скорости пото".а в фиксированной гонге просгрансгва. Зля исследования развитого турбулентного течения, а г"~ ":.,е пзменяющегося во времени возмущающего движения, наложенного на л мпнарно течение, целесообразно представить каждую чз составляешь скорости в виде суммы двух слагаемых: сэеднсго значения, постоянногог.во вре- мени, и отклонения от среднего значснпя.

Такое отклонение от сред- ного значсния, меняющееся во времени, назыв"сгся пульссц:сй. о . — .. самое целесообразно сделать п с давлснпсм. Под средним значанпсм Б качестве меры пульсации обычно берегся ас средне; -:в=".до" гпчное значение, например, (5) ниях. Б таких случаях составляется среднее арифметическое из средних квадратических значений трех составляющих пульсаций, т.е. величина Отношение этой средней пульсационной скорости к средней скорости течения, выражаемое обычно в Я, называется интенсивностью турбулен- гности потока.

Если направление средней скорости потока совпадает с направлением С (что можно всегда сделать соответствующим выбором системы координат), т.е., если ~- = У 3~ = И/=О го мы будем иметь интенсивность турбулентности ° /00% интенсивность турбулентности ~ ~~ определяет первую статпсгическую характеристику турбулентного потока. Бгорая статистическая характеристика — линейная по размерности величина А , называемая масштабом турбулентности, определяет средне: размер области возмущений и дает представление о просгран- ственной структуре турбулентных возмущений. Например, если (с) где ~,г Отношение правлении Х ° называется относительной пульсацией .'.оросги в наОбычно пульсации наблюдаются во всех грех направле- / / коз'..'фициснг корреляции межд; скоростями пульсацгй М и Ы в -3':-.т .1~ и ы~, лспо:эпяп~сся н~ оси О/ на расстоянии /'=~д -~~ <7 го это будет среднгп' размер (в направлении осп Р~ ) области статистически связанных между собой пульсаций скорости //.

(поперечный масштаб турбулснтности) . И третья характсристика турбулентности — щункция ~фь/ распределения кинетической энергии пульсаций по частотам Д этих пульсаций во времени. Величина Г(п~ Й- определяет долю энергии пульсаций с частотой, лежащей в интервале ~Ю, С + Ы/ь.) , в общей, отнесенной к единице массы осредненной энергии пульсационного движения, распределенной по вссм частотам с плотностью /=~ Ф / . Из определения функ- цпи распределения следует, что (ЕО) Исследования показан, что в обычных аэродинамических трубах интенсивность турбулентности потока колеблется в пределах 0,1 — 2 "„, но в специальных трубах может доводиться до величин„ как на порядок меньше,гак и боЛьше.

Турбулентность естественного атмосферного воздуха на высогс нескольких сот метров равна ~~ 0,02$. 2. Влияние интенсивности б ленгносг.. потока на азсо намиче- ские хаюактеоисгпки и ха акте обтекания азлпчных тел. Несмотря на свою, ."залось бы, малую величину интенсивность турбулентности Я погона в трубе сильно влияег на характер обтекания а следовательно, и на аэродинамические характеристики различных тел. Это связано с тем, что при увеличении ~ ламинарная часть погранич- ного слоя на геле резко сокращается, гак как ламинарный пограничный слой мало устойчив, п начальная турбулентность потока его легко "раскачивает". Внутри прилегающего к телу пограничного слоя, где рез ко тормозится внешнсе гсчснпе вязкой жидкости илл газа поверхностью гела (ог н"ибольшзго значсния вне слоя до н~-.ля на самой поверхносгп происходит переход иэ ламинарной (слоистой) ".ормы гсчснпя в турбулентную — с пульсациями скорости во вс..

напраглсп-=., '.; -.о.-.'.снпымп на основное направленное течение. Поперечные пульсации приводят к увеличению крутизны ("наполненности") профиля скорости пограничного слоя у стенки в сравнении с ламинарным, и поэтому Здесь ~~,® — компонента скорости в пограничном слое, параллельная поверхности тела, координата ф, имеет начало в точке на поверхности и направлена по внешней нормали. Одной из основных аэродинамических характеристик обтекаемого потоком тела является его полное лобовое сопротивление Я, г.е.

про- егп~пя главного вектора системы всех аэродинамическгп." сил, действунщг тт на тело, на направление средней скорости К~ невозмущенного телом потока. Обычно вместо силы А. рассматривают безразмерную величину где У вЂ” характерная для данного гела плошадь.

Злементарную аэродинамическую силу, дейсгвуюшую на элемент поверхности тела б/(~ , мояно разложить на две компонснгы, одна пэ кото- рых направлена по нормали, а друг"ч — в касательной плоскости к по- верхносгп тела в рассматриваемой гочка: это будут соответственно элементарные силы давления /~ и трения (. . Интеграл по всей поверхности ~ тела ог прое:авгий всех элементарных сил давления на направление ~/, есть сопротивление давления (или Формы) Ху гела: ЛЗ) Аналогично, сопротивление трения А т — есть интеграл по безотрываю / ':о о' .'.асмой части ~ поверхносгп тела Г~ Х -/ ~ сл~'г;У,)с~6 Х гак что Х = Хр Х . По закону трения Ньютона величина T в точке на поверхности тела на единицу площади '-- ®,=.

где И. — козффициент динамической вязкости. В силу указанных выше особенностей профиля скорости в турбулентном пограничном слое имеет место (11) и поэтому Х7- с увеличением <~ сильно возрастает. Текил образом, для тел, у которых главной составляющей лобового сопротивления является трение, а не сопротивление, вызываемое силами давления, возрастание интенсивности турбулентности потока увели швает козсщициенг общего лобового сопротивления С~ .

К таким хорошо обте- каемым телам относятся гыжсгинки, поставленные плоскостью по потоку, а также, при мали~ углах атаки, фюзеляхи и крылья самолетов, корпуса ракет, дирижаблей, кораблей и г.п. У таких тел трение достигает 70-80 ~ ог общего сопрогпвленпя. Не всегда, однако, возрасганпе интенсивности турбулентности потока увеличивает сопротивление гела. у гол, сопротивления которых зависит, главным образом, ог распределения давлений ',сопротивления Формы ~~ ), в турбулентном потоке иногда создается меньшее сопротивление, чем в ламинарном. Это справедливо, в основном, для так называемых "плохообгекасмых" тел с тупой кормовой частью. Классическим примером таких тел является шар.