Способы управления пристенной турбулентностью в условиях температурного градиента

В настоящее время существует два основных пути управления пристенной турбулентностью и теплообменом на поверхности обтекаемой высокоскоростными потоками газов. Первый из них традиционно базируется на совершенствование формы обтекаемого тела и уровня отделки поверхности (сглаживание швов, клепок и т.д.). По своей сути этот путь направлен на затягивание ламинарного течения на поверхности и перехода его в турбулентное. Однако, при больших числах Рейнольдса 108, например, возникающие при движении гражданского самолета, совершенствование формы поверхности становится затруднительным мероприятием и во многих случаях экономически невыгодным в силу затрат на дорогостоящие материалы и исследования, поэтому такой подход к управлению пристенной турбулентностью в высокоскоростных потоках практически исчерпал свои резервы [1]. Второй путь основан на применении методов по управлению структурой пристенной турбулентности:  активные (вдув газа, периодический вдув/отсос, синтетические струи, осцилляция стенки, нагрев/охлаждение пограничного слоя, микроэлектромеханические системы, подвод энергии и диэлектрический барьерный разряд) и пассивные (податливые стенки, лунки, шероховатость, охлаждение поверхности, демпфирующие полости, пассивные пористые стенки) методы воздействия на структуру пристенной турбулентности [2, 3, 4]. Ключевое отличие между методами управления пристенной турбулентностью заключается в механизме воздействия. Механизм воздействия пассивного способа остается неизменным в период эксплуатации устройства и может воздействовать на турбулентность только в оптимальном режиме. У активного способа механизм воздействия может изменять свои количественные показатели (расход воздуха, энергии, тепла и т.д.), что даёт возможность для манёвров и позволяет подстраиваться к изменяющимся режимам турбулентности и эксплуатировать оборудование в широком диапазоне нагрузок.

С середины прошлого столетия, когда темпы роста жаропрочных материалов проточной части двигателей начали значительно уступать начальной температуре газов, началось активное изучение методов управления турбулентным потоком с целью защиты поверхности от перегрева и разрушения. На рисунке представлена схема, отображающая вариацию управления турбулентностью (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема, отображающая вариацию управления турбулентностью [5].

Активные методы воздействия более разнообразны по способам взаимодействия с пограничным слоем. Широкий спектр способов связан с тем, что активные методы воздействия позволяют достичь более эффективного управления турбулентностью, но затрачивают при этом энергию. И в определенных случаях затраты энергии на управление могут быть значительными, что сказывается на общем КПД. Под энергией подразумеваются воздействия, которые затрачивают часть мощности самого двигателя и действуют на пограничный слой в виде магнитного поля или разрядов электрической энергии, вдув в пограничный слой или отсос из него, местный нагрев или охлаждение, звуковые волны и механические воздействия, которые приводят к движению объекты. В связи с этим обстоятельством, пассивные методы воздействия широко распространены, так как не требуют затрат энергии для управления турбулентностью.

Многие современные методы воздействия на пристенную турбулентность способны эффективно функционировать и в условиях температурного градиента.