1В.І. Коробов icon

1В.І. Коробов




Скачати 91.01 Kb.
Назва1В.І. Коробов
Дата16.08.2012
Розмір91.01 Kb.
ТипДокументи



I SSN 1813–1166. Вісник НАУ. 2005. №1

УДК 532.5(045)

1В.І. Коробов, канд. техн. наук

2Н.О. Клешня

ВПЛИВ ПОДОВЖНІХ МІКРОБОРОЗДОК

НА ГІДРОДИНАМІЧНИЙ ОПІР ТЕРТЯ ПЛАСТИНИ

1Інститут гідромеханіки Національної академії наук України, e-mail: korobov@ukr.net

2Інститут комп’ютерних технологій НАУ

За допомогою вагових вимірів у гідродинамічній трубі показано, що для дрібноребристої подовжньо обтічної поверхні існує діапазон параметрів, в якому опір турбулентного тертя менший, ніж у гладкої плоскої пластини з такою самою площею проекції. При цьому макси-мальне зниження коефіцієнта тертя за рахунок оребрення становило до 16%.

Вступ

Розробка заходів, спрямованих на зниження гідродинамічного опору поверхні, є важливим резервом підвищення аеродинамічної досконалості літальних апаратів і гідротранспортних систем. У наш час досить докладно вивчений ряд засобів зменшення опору тертя. Дана робота присвячена дослідженню можливості використання методу зниження турбулентного тертя за допомогою дрібноребристої поверхні (ріблети), ребра якої спрямовані уздовж потоку.

^ Аналіз публікацій

Одним із перших досліджень у цьому напрямку можна вважати працю [1], в якій експери-ментально було показано, що при турбулентному режимі течії в ядрі каналу трикутного поперечного перетину потік у кутових областях (у діапазоні до 30o) залишається ламінарним на ділянці до 40% по висоті трикутника. Було висловлено припущення, що спостерігається ефект, який обумовлений придушенням турбулентності в кутових областях внаслідок малості поперечних масштабів.

У праці [2] розглянута фізична картина течії біля ріблетів, де вказується, що всередині ріблетів потік рухається дуже повільно, а бічні переміщення рідини поблизу ріблетів стають незначними.

У праці [3] запропонована модель процесу, яка ґрунтується на ідеї про те, що зниження опору не є безпосереднім результатом взаємодії з турбулентною структурою, а визначається характером течії в’язкого середовища в рифленій поверхні. Течії в канавках відповідають малі числа Рейнольдса. Зона за своїм характером є повзучою, тому місцеві дотичні напруги на стінці малі і максимальні на верхівці канавки через наявність градієнта швидкості. У такому випадку менша частка поверхні витримує великі дотичні напруги. У праці [4], де розглянуто вплив оребрення на частоту турбулентних викидів і опір тертя при дозвуковій швидкості потоку, висота ребер h прямокутної форми варіювалася в діапазоні h= 45 – 111, а відстань S між ними змінювалося в межах S+ = 190 – 373. Значення h і S подані в безрозмірному вигляді в одиницях закону стінки:

h+ = h u , S+ = S u ,

де u  динамічна швидкість;   коефіцієнт кінематичної в’язкості.

При певних значеннях висоти і відстані між ребрами, частота турбулентних викидів зменшується на 20 – 25%, а опір тертя оребреної поверхні на 3 – 4% менше порівняно з опором тертя гладкої пластини.

У праці [4] згадано про інші експериментальні дослідження впливу прямокутного оребрення на опір, в яких були отримані протилежні результати: при h+ = 70 – 150 та S+ = 50 – 1100 оребрення приводило до збільшення сили тертя на
10 – 50%. У цій роботі відзначено, що трикутне ребро за інших рівних умов менше збільшує омивану потоком поверхню.

Досить докладне експериментальне дос-лідження турбулентного опору тертя оребрених поверхонь проведено в працях [49], де було досліджено декілька десятків поверхонь із різним профілем оребрення. Для штучного збільшення товщини примежового шару використовувався дротовий турбулізатор.

У працях [4; 7] вказуються оптимальні розміри ріблетів: h+  S+  10 – 14. Використання ріблетів на пластинах і тілах обертання, тобто в течії практично без градієнта тиску, призвело до зниження опору до 7 – 8%, а в деяких випадках до 10 %.

^ Мета досліджень

У результатах досліджень оребрених поверхонь відносна зміна тертя наводиться залежно від безрозмірної відстані між ребрами S+ у координатах закону стінки. Це пов’язано з гіпотезою про вплив подовжніх канавок на зародження і розвиток турбулентних пристінних викидів у ламінарному підшарку. Як відомо, область за-родження турбулентних викидів обмежена за товщиною примежового шару координатою y+  30, а поперечна відстань між ними в безрозмірному вигляді Z+  100. Тому вважається за доцільне виконати дослідження на поверхні такої геометрії, щоб співвідношення характерних розмірів її оребрення було близьким до згаданих параметрів.

^ Експериментальне дослідження

У даній роботі наведені результати експериментального дослідження опору тертя плоскої оребреної поверхні порівняно з гладкою поверхнею. Геометричні параметри оребрення наступні. Перетин ребра трикутний з кутом при вершині 40о з округленою вершиною. Висота ребра h = 0,4 мм. Між трикутними виступами є плоска площадка, розмір якої дорівнює основі ребра. Крок між ребрами S = 0,8 мм. Відношення
S/h = 2 і близьке до співвідношення між параметрами Z+ і y+.

Поверхні, що тестувалися, були виконані у вигляді тонких прямокутних пластин, які розташовувалися на моделі. Модель являла собою тонкий циліндр (подовження цил > 40) із хрестоподібно закріпленими на ній чотирма досліджуваними тонкими прямокутними пластинами малого подовження пл Lпл / bпл  0,33, де Lпл , bпл  відповідно розмах і хорда пластини. Відношення розмаху пластини до діаметра циліндра Lпл / dцил  12,5.

Випробування проводилися в гідродинамічній трубі з закритою робочою частиною, що має квадратний поперечний перетин розміром 0,4  0,4 м і довжину 1,8 м. Швидкість потоку в робочій ділянці труби U змінювалася в межах від 0,3 м/с до 2,5 м/с. Швидкість потоку реєструвалася приймачем швидкісного напору, чутливим елементом якого був напівпровідниковий калібрований термокомпенсований диференціальний датчик тиску з нормованим вихідним сигналом. Модель установлювалася всередині робочої ділянки гідродинамічної труби і своєю хвостовою частиною кріпилася до тензометра з напівпровідниковими датчиками, що розташовані всередині обтічника державки. У дослідах вимірювалися значення швидкості потоку і гідродинамічний опір подовжньо обтічної моделі, що через аналого-цифровий перетворювач реєструвалися в ПЕОМ. Число Рейнольдса в дослідах змінювалося від Re = 2,4  105 до 2  106.

Результати багатократних вимірювань опору турбулентного тертя гладкої поверхні відтворювалися з ймовірною похибкою  2,1 % при малих швидкостях потоку. Зі зростанням швидкісного напору похибка зменшувалася до значень  0,68% наприкінці діапазону вимірювань.

Виміряні значення коефіцієнта тертя за числами Рейнольдса для гладкої пластини CFo (Re) і для поверхні з мікробороздками CF rib (Re) зображені на рисунку.


Сf


0,006


0,005


0,004


0,003



0,00 0,40 0,80 1,20 1,60 Re 10-6

Коефіцієнт гідродинамічного тертя залежно від числа Рейнольдса:

^ 1 – для гладкої пластини CFo (Re); 2 – для поверхні з мікробороздками CF rib (Re)

Дані для гладкої пластини цілком задовільно узгоджуються з відомими результатами [10].

Результати вагових вимірювань випробуваних поверхонь для найбільш характерних режимів обтікання наведені в таблиці. Дані подані у вигляді залежності відносного коефіцієнта тертя  від числа Рейнольдса, де

 = [(CF CF rib) / CF]  100%.

Гідродинамічна ефективність

дрібноребристої поверхні

при різних числах Рейнольдса

Re 106

Smooth

Riblet

,

%

CFo103

CFrib103

S+

h+

0,28

5,48

4,57

11,94

6,0

16,6

0,32

5,66

4,73

13,8

6,9

16,4

0,40

5,82

5,02

17,0

8,5

13,7

0,70

5,85

5,85

30,0

15

0

1,20

5,70

6,17

51,2

25,6

8.2

1,60

5,48

6,20

68,0

34,0

13


Висновки

Для оребреної поверхні є діапазон швидкостей U, в якому її опір тертя виявляється меншим, ніж у гладкої пластини. На відміну від відомих робіт максимальне зниження коефіцієнта тертя за рахунок оребрення з модифікованою геометрією, у порівнянні з гладкою пластиною, досягає більших значень і становить 14 – 16,5%, а оптимальні значення параметра S+, що відповідають мінімуму поверхневого тертя, лежать у більшому діапазоні S 12 – 20.

Із збільшенням швидкості підвищення опору оребреної поверхні порівняно з гладкою пластиною, відбувається не настільки інтенсивно. У дослідах коефіцієнт тертя не досягнув значень, що відповідають перевищенню площі змоченої поверхні, що для оребреної моделі на 53% більше, ніж у гладкої пластини. Це може вказувати на структуруючу дію ріблетів, що призводить до підвищення стійкості пристінних когерентних вихрових структур у примежовому шарі.

Список літератури

1. Eckert E.R., Irvine T.F.Ir. Flow in corners of passages with noncircular cross sections // Trans. ASME. – 1956. – Vol. 78. – №4. – Р. 709–718.

2. Becher E.V., Smith C.R. A combined visualisation – anemometry study of turbulent drag reducing mechanisms of triangular micro-groove surface modifications // AIAA. Pap. – 1985. – № 0548. – Р. 8.

3. Galaggher T.A., Thomas A.S.W. Turbulent boun-dary layer characteristics over streamvise grooves // AIAA Pap. – 1984. – № 2185. – Р. 9.

4. Уолш М.Д. Сопротивление пластины с
продольными пазами и ребрами // Снижение вязкого трения.  М.: Машиностроение. – 1984. –
С. 189–206.

5. Walsh M.J., Weinstein L.M. Drag and heat transfer on surfaces with small longitudinal fins // AIAA Pap. – 1978. – № 1161. – Р. 11.

6. Walsh M.J. Turbulent boundary layers drag reduc-tion using riblets // AIAA Pap. – 1982. – № 0169. – Р. 8.

7.  Экспериментальное исследование влияния продольного оребрения на сопротивление трения плоской пластины / Г.В. Енютин,  Ю.А. Лашков, Н.В. Самойлова и др. // Изв. АН СССР. МЖГ. – 1987. – №2. – С. 140–145.

8. Park S.-R., Wallace J.M. Flow alteration and drag reduction by riblets in boundary layer // AIAA Journal. – 1994. – Vol. 32, №1. – Р. 31–38.

9. Белов И.А., Енютин Г.В., Литвинов В.М. Влияние продольного и поперечного оребрения плоской пластины на ламинарно-турбулентный переход // Учен. зап. ЦАГИ – 1994. – Т. 21. – №6 – С. 107–111.

10. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М. : Наука, 1974. – 742 с.

Стаття надійшла до редакції 19.01.05.

В.И. Коробов, Н.А. Клешня

Влияние продольных микробороздок на гидродинамическое сопротивление трения пластины

С помощью весовых измерений в гидродинамической трубе показано, что для мелкоребристой продольно обтекаемой поверхности существует диапазон параметров, в котором сопротивление турбулентного трения меньше, чем у гладкой плоской пластины с такой же площадью проекции. При этом максимальное снижение коэффициента трения за счет оребрения составило до 16%.

V.I. Korobov, N.O. Kleshnya 

The influence of longitudinal micro grooves on hydrodynamic friction drag of a plate

Weight measurements in a water tunnel have shown that there exist a range of parameters of longitudinally fine-ribbed surface such that turbulent friction in flow over the surface is less than that over a smooth flat plane of the same projected area. Maximum drag reduction due to ribbing is up to 16%.




Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи