Подавление трехмерных возмущений в пограничных слоях с помощью плазменных актуаторов с целью затягивания ламинарно-турбулентного перехода. Грант РНФ 20-79-10372
Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы механики жидкости и газа, связанной с исследованием ламинарно-турбулентного перехода и турбулентного движения жидкости в пристеночных течениях. Конкретной задачей, решаемой в проекте, является развитие методов управления трехмерными возмущениями, эволюция которых приводит к ламинарно-турбулентному переходу в пограничном слое. Возмущениями, изучаемыми в проекте, являются вихри неустойчивости поперечного течения на стреловидном крыле. Для управления этими возмущениями использован метод генерации искусственных возмущений в противофазе к естественным, порождаемым шероховатостью поверхности. В качестве исполнительного механизма использован актуатор- «плазменная панель» на основе диэлектрического барьерного разряда (ДБР). Результатом проекта является развитие представлений о методах ламинаризации обтекания крыла, оперения, лопаток турбин и других аэродинамических поверхностей. В рамках проекта создан активной системы управления переходом, вызванным неустойчивостью поперечного течения на стреловидном крыле.
Основные результаты работы по проекту (2020-2023)
1. Создана аэродинамическая труба с уровнем турбулентности менее u’/U=0.05% в полосе 20-2000Гц. Установка имеет две секции- прямую и криволинейную, предназначенную для моделирования пограничного слоя на стреловидном крыле методом наведенного градиента давления. Полученное число Рейнольдса перехода на плоской пластине превышает 1.3М. На стреловидной пластине уровень пульсаций позволяет исследовать переход к турбулентности, вызванный искусственной распределенной шероховатостью поверхности модели, без учета развития нестационарных возмущений.
1 – camera, 2- flat plate, 3- laser sheet, 4 – mirror, 5- displacement body, 6- turbulence level manipulation grid,
2. Создан многоканальный актуатор «плазменная панель», позволяющий реализовывать линейное пропорциональное возбуждение пограничного слоя независимо по 16 разрядным каналам. Предложена схема размещения электродов, которая позволяет обеспечить разрешение актуатора в 1.8 мм, требуемое для подавления вихрей неустойчивости в условиях лабораторного эксперимента.
3. Исследованы механизмы генерации шума плазменным актуатором на основе ПБР. Показано, что возбуждение потока происходит в широком спектре частот в результате блуждания микроразрядов по кромке коронирующего электрода. Показано, что воздействие разряда на поток можно смоделировать в виде воздействия отдельных источников объемной на кромке коронирующего электрода, которые дельта-коррелированы по длине электрода и времени. Показано, что в ближнем поле за разрядом наблюдается алгебраический рост возмущений, который приводит к формированию стрико-подобных структур. Далее эти возмущения трансформируются в пакеты доминирующей моды, для данного течения – волны Толлмина-Шлихтинга. Построена простая теория, описывающая зависимость амплитуды возмущений от параметров питающего напряжения. Показано, что величина пульсаций пропорциональна частоте питающего напряжения, кроме того, она растет с напряжением медленнее, чем тяга актуатора.
4. Разработана методика анализа ламинарно-турбулентного перехода, вызванного неустойчивостью поперечного течения, по данным панорамных измерений методом PIV. Методика позволяет с высокой производительностью регистрировать структуру пограничного слоя на разных стадиях перехода. Постобработка данных позволяет определять амплитуду и спектральный состав первичных бегущих и стационарных мод неустойчивости, анализировать рост перемежаемости на поздней стадии ламинарно-турбулентного перехода, визуализировать положение перехода.
5. Изучен процесс возбуждения мод неустойчивости пограничного слоя плазменным акуатором. Показано, что в исследованном диапазоне параметров скэйлинг амплитуды моды с частотой и амплитудой напряжения совпадает со аналогичной зависимостью для тяги актуатора. Оценена амплитуда бегущей моды от разряда, она составляет не более 15% от амплитуды стационарных возмущений.
6. Разработан алгоритм противофазного подавления стационарных вихрей неустойчивости. Алгоритм состоит в регистрации отклика пограничного слоя на воздействие каждой разрядной секцией, с последующим поиском вектора оптимальных управляющих напряжений на секциях актуатора. Получены отклики пограничного слоя на стреловидном крыле на возбуждение отдельной секцией актуатора, результаты сопоставлены с волновыми пакетами от шероховатости. В ходе численного моделирования показано, что для подавления вихрей неустойчивости на пластине достаточно разрешения актуатора порядка 4 точек на период критической (наиболее нарастающей) моды, а подавление возмущений в отсутствие измерительных шумов может достигать 20дБ.
7. Алгоритм подавления стационарных вихрей неустойчивости реализован в эксперименте в режиме обратной связи. В качестве сигнала обратной связи использован профиль скоростей из PIV измерений. Для изолированной шероховатости получено затягивание перехода к турбулентности на 100мм или на 15%эффективной хорды модели.
