Исследования тела вращения специальной формы, подобной туловищу дельфина

Autor: Thorsten Moeller, Igor Nesteruk, Markus Brühl
Rok vydání: 2018
Předmět:
Zdroj: "Research Bulletin of the National Technical University of Ukraine ""Kyiv Politechnic Institute"""
"""Research Bulletin of the National Technical University of Ukraine """"Kyiv Politechnic Institute"""""""
Наукові вісті КПІ : міжнародний науково-технічний журнал, 2018, № 2(118)
ISSN: 2519-8890
1810-0546
DOI: 10.20535/1810-0546.2018.2.129140
Popis: Проблематика. Високі швидкості плавання деяких водних тварин продовжують викликати значний інтерес дослідників. Опір тертя дельфіна, оцінений з використанням турбулентного коефіцієнта тертя на плоскій пластині, виявився занадто високим, щоб стверджувати, що дельфін не здатний рухатися так швидко, як він це робить, з властивою йому мускульною силою. Деякі попередні експерименти з твердими тілами, за формою подібними до тіла тварин, та з дельфінами, що рухались за інерцією, виявили безвідривне обтікання. Однак дослідники, пов’язані з технікою, вважають, що відрив неминучий на будь-якій гладкій формі, якщо не застосовувати активних методів керування примежовим шаром (наприклад, відсмоктування). Мета дослідження. Показати за допомогою аеродинамічних експериментів, що на твердих тілах обертання спеціальної форми можна уникнути відриву примежового шару без жодних активних методів керування потоком. Методика реалізації. Експерименти проводились в аеродинамічній трубі на швидкостях 15, 35 і 55 м/с. Використовувались вимірювання статичного тиску та візуалізація за допомогою течії олії. Для цього дослідження було взято модель UA-2 спеціальної форми довжиною 200 мм і максимальним діаметром 56,78 мм. Замкнена версія цієї моделі – UA-2c – є подібною до тіла дельфіна. Дослідження проводились у дозвуковій аеродинамічній трубі MUB Інституту механіки потоків (ISM) Технічного університету Брауншвайга, Німеччина. Труба MUB у ISM є установкою геттінгенського типу з активним охолодженням, квадратним перерізом робочої частини зі стороною 1,3 м і рівнем турбулентності приблизно 0,2 %. Для отримання інформації про потік біля поверхні використовувалась візуалізація за допомогою течії олії. Застосовувалась фарба, що є сумішшю мінерального масла та бензину в оптимізованій пропорції. Дуже дрібні частинки діоксину титану та полімерні частинки, що реагують на ультрафіолетове світло, забезпечували висококонтрастне зображення з високою просторовою роздільною здатністю. Результати дослідження. Наведено розподіли статичного тиску та результати візуалізації за допомогою течії олії для трьох значень кута атаки. При нульовому куті атаки обтікання, ймовірно, є безвідривним і ламінарним. Висновки. Вимірювання тиску та візуалізація потоку на тілі обертання спеціальної форми показали, що, ймовірно, можна уникнути відриву в досить широкому діапазоні чисел Рейнольдса. Потрібні подальші експерименти з використанням візуалізації об’єму потоку та термодатчиків швидкості для уточнення поведінки примежового шару, характеристик його відриву та турбулізації. Background. The high swimming velocities of some aquatic animals such as dolphins continue to attract great interest of researchers. The friction drag of the dolphin, estimated with the use of turbulent friction coefficient of the flat plate, was so high to declare that the dolphin should not be able to swim as fast as it does with the muscle power it possesses. Some previous tests of the rigid bodies, similar to the animal shapes, and gliding dolphins revealed the attached flow patterns. Nevertheless, the researchers connected with industrial applications believe that separation is inevitable on every smooth shape, provided no active boundary-layer control methods (e.g., suction) are applied. Objective. The aim of the paper is to test a special shaped rigid body of revolution in the wind tunnel in order to show that the boundary-layer separation can be removed without any active flow control methods. Methods. Wind tunnel tests were carried out at velocities 15, 35, and 55 m/s. Static pressure measurements and the oil-flow visualization were used. For this study, we take the UA-2 special shaped model of 200 mm length and 56.78 mm of the maximum diameter. The closed version of the UA-2c model is similar to the dolphin body. The tests were carried out in the subsonic wind tunnel MUB of the Institut für Strömungsmechanik (ISM) at Technische Universität Braunschweig, Germany. The wind tunnel MUB of ISM is an actively cooled Goettingen type tunnel with a square section of 1.3 m and the turbulence level of about 0.2 %. The technique of oil-flow visualization was used to deliver information of the surface near flow. The color used is a mixture of thin mineral oil and petrol, in an optimized ratio. The very fine titan-dioxide particles and UV-light reactive polymer particles in the color deliver a high contrast picture of the flow directions with a high spatial resolution. Results. The distribution of the static pressure and the oil-flow visualization are presented at three angles of attack. The flow pattern at zero angle of attack is probably attached and laminar. Conclusions. Pressure measurements and the flow visualization on the special shaped body of revolution showed that it is probably possible to avoid separation in rather large range of the Reynolds numbers. Further experiments are necessary with the use of a visualization of the flow volume and hot-wire velocity probes to clarify the behavior of the boundary layer, its separation and laminar-to-turbulent transition characteristics. Проблематика. Высокие скорости плавания некоторых водных животных продолжают вызывать большой интерес исследователей. Оценка сопротивления трения дельфина с использованием турбулентного коэффициента трения на плоской пластине оказалась слишком высокой, чтобы утверждать, что дельфин не способен двигаться так быстро, как он это делает, с присущей ему мускульной силой. Некоторые предыдущие эксперименты с твердыми телами, по форме подобными телам животных, и с движущимися по инерции дельфинами выявили безотрывное обтекание. Однако исследователи, связанные с техникой, считают, что отрыв неизбежен на любой гладкой форме, если не использовать активных методов управления пограничным слоем (например, отсос). Цель исследования. Показать с помощью аэродинамических экспериментов, что на твердых телах вращения специальной формы можно избежать отрыва пограничного слоя без каких-либо активных методов управления потоком. Методика реализации. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе на скоростях 15, 35 и 55 м/с. Применялись измерение статического давления и визуализация с помощью течения масла. Для этого исследования была взята модель UA-2 специальной формы длиной 200 мм и максимальным диаметром 56,78 мм. Замкнутая версия этой модели – UA-2c – похожа на тело дельфина. Исследования проводились в дозвуковой аэродинамической трубе MUB Института механики потоков (ISM) Технического университета Брауншвайга, Германия. Труба MUB в ISM представляет собой установку геттингенского типа с активным охлаждением, квадратным сечением рабочей части со стороной 1,3 м и уровнем турбулентности приблизительно 0,2 %. Для получения информации о потоке вблизи поверхности применялась визуализация с использованием течения масла. Использовалась краска в виде смеси минерального масла и бензина в оптимизированной пропорции. Очень мелкие частицы диоксида титана и полимерные частицы, реагирующие на ультрафиолетовый свет, обеспечивали высококонтрастное изображение с высокой пространственной разрешающей способностью. Результаты исследования. Представлены распределения статического давления и результаты визуализации с помощью течения масла для трех значений угла атаки. При нулевом угле атаки течение, вероятно, было безотрывным и ламинарным. Выводы. Измерения давления и визуализация потока на теле вращения специальной формы показали, что, вероятно, можно избежать отрыва в достаточно широком диапазоне чисел Рейнольдса. Нужны дополнительные эксперименты с использованием визуализации объема потока и термодатчиков для уточнения поведения пограничного слоя, характеристик его отрыва и турбулизации.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: