Об особенностях деформирования податливого покрытия пульсациями давления в турбулентном пограничном слое

Выполнен цикл исследований, направленных на разработку метода снижения трения при турбулентном обтекании тел с использованием однослойных и двухслойных податливых микроструктурных покрытий. Двухслойные покрытия состоят из толстого (4–8 мм) мягкого внутреннего слоя и тонкого (1–2 мм) твердого внешнего слоя. Для внутреннего слоя применялись как обычные кремнийорганические резины, так и наполненные микропузырьками. В материал внешнего слоя добавлялись микрочастицы порошка вольфрама или свинцового сурика. Такие ламинированные покрытия отличающихся большей прочностью и способностью работать на меньших скоростях обтекания, что важно для их практического использования.

Развит метод измерения вязкоупругих свойств материалов во всем частотном диапазоне взаимодействия покрытия с потоком (от 40 Гц до 2.5 кГц) при малой амплитуде деформаций. Методика измерения основана на решении двумерной задачи динамического деформирования образца с полным описанием граничных условий на всей его поверхности. Метод развит для случая очень малых и больших коэффициентов потерь исследуемого материала и выполнены расчеты динамической податливости вязкоупругих покрытий, позволяющие определить диапазоны параметров покрытия и потока, где покрытие может быть эффективным для снижения турбулентного трения. Разработаны и опробованы два метода изготовления двухслойных покрытий. Испытания созданных ламинированных покрытий в гидроканалах подтвердило сделанные прогнозы для выбора их свойств и показало существенное снижение турбулентного трения в диапазоне скоростей потока от 8 до 14 м/с.

Измерения силы трения на двухслойных покрытиях: внутренний пористый слой толщиной 4 мм и наружный слой толщиной 1 мм с  добавлением 200 %  вольфрама (а); внутренний пористый слой толщиной 8 мм и наружный слой толщиной 2 мм с добавлением 400 % вольфрама (б); внутренний пористый слой толщиной 8 мм и наружный слой толщиной 1 мм с добавлением 400 % вольфрама (в): расчет (1), измерения для твердой стенки (2) и при наличии податливого покрытия (3).

Выполнено сравнение измеренной деформации податливого покрытия в турбулентном потоке с расчетом двумерной деформации покрытия бегущей волной давления. Установлено, что рассчитанная спектральная плотность деформаций покрытия оказалась существенно выше измеренной, а среднеквадратичное значение величины измеренной деформации в семь раз меньше расчетной. Для выявления причин полученного расхождения выполнен расчет переходного режима установления вынужденных колебаний покрытия под действием волны давления. Показано, что вязкоупругое покрытие практически всегда работает в переходном режиме, не достигая максимальных амплитуд деформаций. Это делает необходимым использовать более сложные граничные условия, учитывающие нестационарность процесса деформирования податливого покрытия турбулентными пульсациями давления.

ИТ СО РАН,  с.н.с., к.т.н. Кулик В.М., тел: +7 (383) 330-71-22.