Стационарный пограничный слой на пластине в газовом потоке, страница 19

Другое условие, которому должна удовлетворять бегущая волна, это согласование скорости движения тела и фазовой скорости волны, так как бегущая волна способна не только уменьшать, но и увеличивать сопротивление. Для проверки эффективности бегущей волны была изготовлена специальная модель, которая получила шутливое наименование "стиральная доска". Эксперименты показали, что если скорость движения волны меньше половины скорости движения модели, то сопротивление последней больше сопротивления гладкой поверхности. С дальнейшим ростом скорости волны сопротивление уменьшается, и при равенстве скоростей модели и волны оно становится в 3-4 раза меньше сопротивления гладкой поверхности.

Механизмом, создающим бегущую волну, может быть гидро-упругий флаттер поверхности животного, т.е. автоколебания упругого тела в быстром потоке воды. Подобно тому, как ветер вызывает на поверхности моря бегущие волны, движущаяся вода может вызвать волны на коже дельфина или тунца. Напрягая или ослабляя подкожные мышцы, животное может регулировать упругие свойства своего покрытия и настраивать их в зависимости от скорости плавания. С таким объяснением хорошо согласуется парадоксальный, на первый взгляд, факт наличия шероховатости на поверхности тела у таких быстроходных животных, как акулы, парусники, меч-рыбы. Шероховатость как бы увеличивает сцепление между телом и той частью воды, которая увлекается бегущей волной. В этом отношении его можно отнести к полуактивному методу управления.

Использование пористых покрытий. Для стабилизации гиперзвукового пограничного слоя А. В. Федоровым (1995) было предложено использовать пористые покрытия поверхности летательных аппаратов. Принцип стабилизации был основан на поглощении поверхностью специальных покрытий энергии акустических возмущений, которые доминируют в гиперзвуковом пограничном слое. При этом акустическая энергия переводится в тепло за счет сил вязкости в узких каналах пор покрытия. Кроме того, соответствующим подбором акустических свойств покрытий можно добиться дополнительного стабилизирующего эффекта за счет сдвига фазы между подавляемой волной в пограничном слое и акустическими пульсациями в каналах пористого покрытия. Последний эффект имеет туже физическую природу, что и подавление возмущений на гибкой поверхности, упомянутое выше. Предварительные расчеты показали, что для стабилизации неустойчивости достаточно коэффициента поглощения для всех частот менее 1%. Эксперименты, выполненные в ИТПМ СО РАН (2001) при числе Маха 6, показали большую эффективность подавления акустической моды неустойчивости пористыми покрытиями.

11.2. Активное управление пограничным слоем

Методы подавления и усиления собственных возмущений. Как уже было сказано выше, воздействие на среднее течение, которое мы назвали пассивным, является эффективным, но энергоемким способом управления переходом. Альтернативным путем управления переходом, более эффективным с энергетической точки зрения, является воздействие на сами возмущения - активный метод. Развивающуюся волну можно усилить или подавить с помощью волны той же природы, подобрав соответствующий сдвиг фазы между возмущениями.

Данный способ управления переходом требует эффективных методов генерации возмущений в пограничном слое, а также умения правильно прогнозировать поведение возмущений. В настоящее время разработано много различных способов введения возмущений в поток. При малых скоростях возмущения эффективно генерируются в потоке вибрирующей лентой (метод Шубауэра и Скрамстеда), организацией вдува-отсоса на поверхности через отверстия или щели, вибрациями небольших участков поверхности, мембранами, системой нагревательных элементов и т.д. При больших скоростях широко используют электрический разряд, есть примеры использования лазерного пробоя в газах. Неустойчивые волны заданных характеристик успешно вызывают с помощью звука. В большинстве работ по исследованию способов активного управления обычно с помощью какого-то источника возбуждают волну, и используя другой источник, пытаются ее подавить.