Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор экспериментальных исследований пульсационных процессов в сверхзвуковых и гиперзвуковых сдвиговых течениях 17
1. Исследования волновых процессов в гиперзвуковом пограничном и ударном слое 17
2. Исследования волновых процессов в гиперзвуковом ламинарном следе 23
3. Проблемы диагностики гипёрзвуковых течений низкой плотности 24
4. Выводы 29
ГЛАВА 2. Экспериментальное оборудование и методы диагностики 31
1. Гиперзвуковая аэродинамическая труба Т-327А 31
1.1. Газодинамический тракт установки.. 31
1.2. Электронно-пучковая система 34
2. Метод и аппаратура для измерения средней плотности и пульсаций плотности, методы обработки сигналов 37
2.1, Оптическая система 37
2.2. Методика обработки сигналов оптической системы регистрации. 41
3. Методика введения возмущений в ударный слой на поверхности сжатия 44
4. Методики восстановления средней плотности и пульсаций плотности.. 49
4.1. Методика восстановления средней плотности в следовых
4.2. Методика восстановления поля пульсаций плотности в следовых течениях 55
4.3. Связь между плотностью газа и сигналом системы регистрации флюоресценции 56
4.4. Методика восстановления средней плотности на двумерной поверхности сжатия , , 57
4.5. Методика восстановления пульсаций плотности на двумерной поверхности сжатия 62
5. Выводы 63
ГЛАВА 3. Исследование волновых процессов 'в гиперзвуковых ламинарных следах 64
1. Исследование волновых процессов в гиперзвуковом ближнем ламинарном следе за острым конусом 64
1.1. Модель и метод измерений 64
1.2. Поле среднего течения в следе за конусом, 68
1.3. Пульсационные характеристики следа за конусом 70
2. Исследование волновых процессов в ближнем гиперзвуковом ламинарном следе за газодинамическим свистком 76
2.1. Модель и схема измерений 76
2.2. Поле среднего течения в следе за свистком 19
2.3. Характеристики пульсаций плотности в следе 82
3. Выводы , 91
ГЛАВА 4. Развитие возмущений на продольной структуре в ударном слое на поверхности сжатия 93
1. Модель и аппаратурная организация измерений 93
2. Характеристики течения на поверхности сжатия 97
2.1. Характеристики среднего течения.. 97
2.2. Пульсационные характеристики течения в ударном слое 105
2.2,1. Характеристики неконтролируемых возмущений 105
2.2.2. Характеристики контролируемых возмущений 107
2.3. Анализ результатов 116
3. Выводы 119
Заключение 121
Литература 122
- Исследования волновых процессов в гиперзвуковом ламинарном следе
- Метод и аппаратура для измерения средней плотности и пульсаций плотности, методы обработки сигналов
- Методика восстановления пульсаций плотности на двумерной поверхности сжатия
- Исследование волновых процессов в ближнем гиперзвуковом ламинарном следе за газодинамическим свистком
Введение к работе
Развитие космической техники и создание высокоскоростных самолетов вызвало интерес к изучению нестационарных явлений и, в частности, пульсационных процессов в гиперзвуковых течениях. Актуальность исследований пульсационных процессов связана с их существенным влиянием на уровень тепловых потоков, интенсивность силовых и вибрационных нагрузок на конструкцию гиперзвуковых аппаратов.
За последние 40-50 лет накоплен большой объем экспериментальных и теоретических знаний по проблеме пульсационных явлений в высокоскоростных потоках. Пик интереса к этой проблеме пришелся на конец 60-х, начало 70-х годов, когда в США и в СССР начались работы по созданию возвращаемого аппарата многоразового использования. Создание натурных стендов, летающих лабораторий, обработка данных накопленных при эксплуатации авиационной и космической техники позволило получить практические 'знания о характеристиках и методах управления этими процессами, разработать инженерные методы расчета.
Однако степень проработки проблемы является весьма неравномерной, как по типу газодинамических объектов, так и по областям параметров, характеризующих высокоскоростные течения. Так, например, слабо экспериментально и теоретически изучена устойчивость пограничного течения при высоких числах Маха (М > 10) и умеренных числах Рейнольдса (Re= 104-^ I06), когда течение на поверхности тела реализуется в виде вязкого ударного слоя. В частности, в- этом диапазоне параметров практически нет экспериментальных работ по устойчивости течений на поверхностях сжатия и в следовых течениях.
Эта область параметров соответствует этапу входа в атмосферу головных частей баллистических ракет и разгонному участку воздушно-
космического аппаратов при выходе на орбиту. Известно, что ламинаризация пограничного слоя на 45 % длины корпуса гилерзвукового аппарата сделает это транспортное средство экономически выгодным. На переднихкромках крыла и фюзеляжа перспективных гиперзвуковых транспортных самолетов пограничное течение существует в виде вязкого ударного слоя, когда местные числа Рейнольдса еще не достаточно велики. Волновые процессы, возникающие в этой области, оказывают существенное влияние на развитие возмущений и ламинарно-турбулентный переход вниз по потоку, в области гиперзвукового пограничного слоя, сформировавшегося при больших числах Рейнольдса.
С другой стороны, для возвращаемых воздушно-космических аппаратов с несущим корпусом неконтролируемое возникновение турбулентного течения в пограничном слое на управляющих элементах приводит к существенному изменению величины аэродинамических сил и потере устойчивости их движения. Это может привести к перераспределению тепловых потоков по поверхности корпуса, прогоранию тепловой защиты в менее защищенных местах и гибели аппарата.
При обтекании участков планера гиперзвуковых аппаратов, имеющих поверхности сжатия, и при течении в воздухозаборниках ГПВРД возникает сложная картина взаимодействия центробежной неустойчивости (вихрей Гертлера) и бегущих возмущений пограничного слоя. На поверхности гиперзвукового аппарата возможно возникновение продольных структур не связанных с центробежной неустойчивостью и их взаимодействие с бегущими возмущениями. Совместное их влияние может привести к ускоренному наступлению ламинарно-турбулентного перехода и изменению характеристик обтекания. Эта проблема пока еще слабо изучена для гиперзвуковых скоростей.
Актуальность исследования гиперзвуковых следовых течений связана с проблемой обнаружения тел движущихся в верхней атмосфере и
аэродинамической интерференции при гиперзвуковом движении системы многих тел. Последняя проблема имеет важное значение при разделении многоступенчатых воздушно-космических аппаратов. Основная масса известных результатов касается только поля среднего течения в следе. Экспериментальные данные по возмущениям параметров в следе единичны и разрознены. С другой стороны, развитие возмущений в следе влияет на скорость его деградации, что непосредственно связано с возможностью обнаружения и распознавания тел, летящих в атмосфере. Кроме того, знание процессов при ламйнарно-турбулентном переходе в следовых течениях дало бы возможность управления интенсивностью процесса смешения в сдвиговых течениях и его использования в двигательных и энергетических установках.
Многолетние трубные и натурные исследования позволили обобщить данные по переходу при сверхзвуковых скоростях. В частности, они позволили получить зависимости числа Рейнольдса перехода от ряда основных параметров, таких как число Маха, температурный фактор, притупление носика модели и т.д. [1]. Однако перенос результатов, полученных для умеренных чисел Маха и высоких чисел Рейнольдса, на условия гиперзвукового обтекания для больших чисел Маха и умеренных чисел Рейнольдса ограничен наличием специфических особенностей пограничных течений в этих условиях [2, 3]:
— из-за близости скачка уплотнения к поверхности усложняется спектр
неустойчивых возмущений [4,5] и возникает новый класс задач устойчивости
тонких ударных слоев [6, 7];
— необходимо учитывать реальные свойства газа [8, 9] и его
взаимодействие с поверхностью [10,11];
— важной становится непараллельность течения и кривизна ударной
волны.
Развитие теоретических исследований в этой области течений сдерживается отсутствием достоверных и детальных экспериментальных данных. В частности, крайне желательно получение данных о развитии и характеристиках элементарных волн в ударном слое на моделях простых геометрических форм, например, шар, конус, пластина, двумерная поверхность сжатия и т.д., для которых достаточно точно рассчитывается поле среднего течения. Наличие таких данных позволяет сопоставить с результатами расчета локальные характеристики возмущений и разработать уточненные модели волновых процессов.
*
Высокие газодинамические параметры течений и существенная нестационарность исследуемых явлений требует разработки адекватных методик исследований и измерительной аппаратуры, В частности, возникает необходимость использования невозмущающих методов измерений характеристик малых пульсаций параметров потока в широком частотном диапазоне, выделения слабых полезных сигналов на фоне случайного широкополосного шума и т.д.
Важной задачей трубных исследований является выявление причинно-следственных связей между изменениями параметров в пульсационных процессах. Это достигается использованием методов активного воздействия на изучаемые явления, которые включают введение в поток контролируемых возмущений и воздействие на ключевые параметры процесса развивающегося в исследуемом течении. Адекватность реакции изучаемого явления ожидаемому результату воздействия является критерием степени понимания физических процессов и правильности разработанной математической модели. Последующее сопоставление результатов численного моделирования с данными измерений, как локальных, так и интегральных характеристик позволяет судить о степени соответствия разработанной модели реальным газодинамическим процессам. В настоящее время методы активного воздействия разработаны и піироко применяются
для исследования до - и сверхзвуковых потоков. В области гиперзвуковых течений, особенно для течений разреженного газа, эти методы слабо распространены.
Сказанное выше определяет актуальность проведения исследований и позволяет сформулировать основные цели работы:
разработка новых методик измерений применительно к гиперзвуковым течениям низкой плотности в следе и в ударном слое;
получение новых экспериментальных данных о характеристиках возмущений в гиперзвуковых следах и пограничных течениях для больших чисел Маха и умеренных чисел Рейнольдса;
Исследования диссертационной работы выполнялась в рамках г/бюджетной темы «Экспериментальные исследования и численное моделирование гиперзвуковых течений» Плана научных исследований ИТПМ СО РАН, а также в рамках работ по грантам РФФИ (коды проектов 98-01-00462, 01-01-00189, 02-01-00141), гранта ИНТАС (№ 2000-0007) и хоздоговора между ИТПМ и ЦАГИ №421-2002, На защиту выносятся:
методики восстановления поля средней плотности и пульсаций плотности в методе электронно-пучковой флюоресценции применительно к течению в гиперзвуковом следе и в двумерном ударном слое;
результаты экспериментальных исследований развития естественных и искусственных возмущений плотности в гиперзвуковом ламинарном следе за острым конусом ц кососрезным газодинамическим свистком;
экспериментальные данные по характеристикам поля среднего течения и характеристикам естественных и искусственных пульсаций плотности в ударном слое на радиусной поверхности сжатия при наличии продольной структуры.
Научная новизна работы:
разработаны усовершенствованные методики восстановления поля средней плотности и пульсаций плотности в следовых течениях и в двумерном ударном слое на поверхности сжатия;
показана устойчивость к естественным возмущениям ближнего гиперзвукового ламинарного следа за телом. Впервые продемонстрирована возможность и найдены условия потери устойчивости такого течения при введении в след периодических возмущений конечной амплитуды;
на продольной структуре в гиперзвуковом ударном слое на поверхности сжатия впервые обнаружено возникновение двух бегущих волн и определено влияние температуры поверхности на их характеристики;
впервые показано стабилизирующее влияние кривизны поверхности модели и понижения ее температуры на развитие естественных и искусственных возмущений на продольной структуре в гиперзвуковом ударном слое, реализующееся через уменьшение толщины ударного слоя.
Научная и практическая ценность.
Разработаны и реализованы методики, позволяющие использовать электронно-пучковую флюоресценцию азота и для измерений характеристик пульсаций плотности, средней скорости и плотности в некоторых классах гиперзвуковых пограничных и следовых течениях низкой плотности.
Автором получены результаты, расширяющие представления о характеристиках волновых процессов происходящих в высокоскоростных гиперзвуковых пограничных и свободных сдвиговых течениях.
Достоверность результатов.
В экспериментальных исследованиях использована невозмущающая поток электронно-пучковая диагностика и оптические методы регистрации, адаптированные к условиям гиперзвуковых течений низкой плотности, использованы методы введения в исследуемый поток контролируемых стационарных и периодических возмущений.
Для повышения точности и достоверности данных измерений были применены современные методы сбора, накопления, выделения и обработки слабых сигналов на фоне интенсивного широкополосного шума. Снижение случайных ошибок достигалось в многократно повторяющихся измерениях. Достоверность подтверждена хорошим совпадением данных с результатами других авторов и численными расчетами.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации доложены на следующих конференциях и семинарах:
Международные конференции по методам аэрофизических исследований - ICMAR (Новосибирск, 1998, 2000, 2004); Международные семинары по устойчивости течений гомогенных и гетерогенных жидкостей (Новосибирск, 1998, 2000, 2001); Международная конференция «Актуальные проблемы физической гидродинамики» (Новосибирск, 1999). 6-я Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики (Новосибирск, 2000), Международный семинар 40th AIAA Aerospace Science Meeting & Exhibition (Рено, Невада, США, 2002), Международная конференция ЕВРОМЕХ (Тулуза, Франция, 2003).
Основные результаты опубликованы:
Анискин В.М. Исследование устойчивости гиперзвукового ламинарного следа за острым конусом методом электронного пучка // Вестник молодых ученых. Прикладная математика и механика. 2000. №3. С. 96-104.
Анискин В.М., Миронов С.Г. Экспериментальные исследования пульсаций плотности в гиперзвуковом ламинарном следе за конусом // ПМТФ.2000.Т. 41, №3. С. Ш-117.
Анискин В. М., Миронов С. Г. Экспериментальные исследования волн
конечной амплитуды в гиперзвуковом следе // Теплофизика и
аэромеханика. 2001. Т. 8, №2. С. 345-349.
Maslov A. A., Mironov S.G., Shiplyuk A. N., Sidorenko A. A., Aniskin V.
М., Buntin D. A. Hypersonic flow stability experiments. AIAA Paper, 2002-
0153.
Анискин В. M., Миронов С. Г. Развитие периодических возмущений на
продольной структуре в ударном слое на поверхности сжатия //
Теплофизика и аэромеханика. 2004. Т. И. С. 35-42.
Анискин В. М., Миронов С. Г. Экспериментальное исследование вихрей
Гертлера на порерхностях сжатия в гиперзвуковом ударном слое //
Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Тезисы
докладов VII Международной конференции. Новосибирск, 2000. С. 172-
174.
Анискин В. М. Экспериментальное исследование устойчивости
гиперзвукового следа при искусственном возбуждении // Устойчивость
течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Тезисы докладов VII
Международной конференции. Новосибирск, 2000. С. 174-176.
Анискин В. М. Экспериментальное исследование волн конечной
амплитуды в гиперзвуковом следе // Актуальные вопросы теплофизики
и физической гидрогазодинамики: Тезисы докладов 6-й Всероссийской
конференции молодых ученых. Новосибирск, 2000. С. 6-8.
Aniskin V.M. Electron-beam diagnostic of hypersonic wake II International
Conference on the Methods of Aerophysical Research: Proc. Pt II /
Novosibirsk: Publishing House of Siberian Branch of RAS, 2000. P. 9-15.
Анискин В. M., Миронов С. Г. Экспериментальное исследование
пульсаций плотности в гиперзвуковом ламинарном следе за конусом //
Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Труды V
Международного семинара. Новосибирск, 1998. Ч. 2. С. 147-149.
Aniskin V. M., Mlronov S. G. Experimental study of the density pulsations in a supersonic vastly underexpanded jet by the electron-beam method II Актуальные проблемы физической гидродинамики: Труды Международной конференции. Новосибирск, 1999. С.51.
Aniskin V. М., Mironov S.G. Experimental study of hypersonic shock layer stability on a circular surface of compression // The 5 th Euromech Fluid Mechanics Conference: Book of Abstract, Toulouse, 2003. P.6.
Личный вклад автора
Автор участвовал в определении задач исследований, постановке экспериментов и их проведении, автором изготовлены все модели. Им созданы алгоритмы и программы для восстановления поля средней плотности и пульсаций плотности для условий данных экспериментов, выполнена обработка результатов всех измерений. Большинство публикаций написано совместно с научным руководителем.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 129 страниц, включая 82 страницы машинописного текста, 32 иллюстрации и 75 наименований цитируемой литературы.
Автор считает своим долгом выразить благодарность своим научным руководителям профессору, д.ф.-м.-н. Маслову Анатолию Александровичу и д.ф.-м.-н. Миронову Сергею Гргорьевичу (низкий поклон ему); профессору, чл.-корр. РАН Фомину В.М. за всестороннюю поддержку творческой деятельности автора совмещаемую с научной деятельностью, начальнику установки Т-327-А Сапогову Б.А. за помощь в проведении экспериментов и изготовлении моделей. Автор выражает признательность коллегам к.ф.-м.н. Шиплюку А.Н., к.ф.-м.н. Сидоренко А.А.
Исследования волновых процессов в гиперзвуковом ламинарном следе
В настоящее время накоплен большой объем экспериментальных и расчетных данных по стационарным и пульсационным характеристикам дозвукового следа. Число исследований по сверхзвуковому и гиперзвуковому следу значительно меньше. Они, в основном, касаются стационарных характеристик течения за простыми телами типа шара и конуса, данные по которым обобщены в монографии [41]. В этой же монографии отмечается, что устойчивость гиперзвукового следа при больших числах Маха слабо изучена экспериментально и теоретически. Имеется ряд экспериментальных работ, содержащих данные по положению точки перехода и отдельным характеристикам пульсаций скорости и плотности в гиперзвуковом следе за сферами и конусами, полученные в баллистических трассах для чисел Маха не превышающих 16 [42-49]. Для измерения состояния течения в следе и его пульсационных характеристик использовались методы мгновенной шлирен-фотографии, электрического пробоя и электронно-пучковой флюоресценции, которые позволили получить лишь интегральные характеристики возмущений, например, определить область ламинарно-турбулентного перехода. В результате были получены и обобщены практически важные данные о числе Рейнольдса ламинарно-турбулентного перехода в следах за сферами и конусами в зависимости от числа Маха потока, температурного фактора и т.д. [42, 43], которые трудно сопоставить с локальными характеристиками возмущений в сдвиговом течении получаемыми в рамках теоретических моделей. Литературные данные о влиянии искусственных возмущений на течение в гиперзвуковом следе и ламинарно-турбулентный переход пока отсутствуют. В этой связи представляет интерес экспериментальное исследование устойчивости ближнего гиперзвукового ламинарного следа в условиях, как неконтролируемых возмущений аэродинамической трубы, так и при его возбуждении контролируемыми периодическими возмущениями высокой интенсивности, сопоставление полученных данных с результатами ранее выполненных теоретических и экспериментальных работ. В последнем случае полученные результаты могут найти дополнительное практическое применение при использовании следа для введения контролируемых периодических возмущений в пограничный слой на модели, расположенной ниже по потоку. Фактически, этот метод уже был использован в работах [50], где изучались вопросы восприимчивости гиперзвукового пограничного слоя на пластине к акустическим возмущениям в следе за электроразрядным источником возмущений.
В работах была отмечена важность изучения характеристик вводимых і возмущений для получения количественной информации о восприимчивости. Создание новых установок моделирующих высокие газодинамические параметры течений, как правило, сопровождается разработкой адекватных методик исследований и методов измерений. При измерениях в гиперзвуковых потоках низкой плотности с высокими температурами торможения традиционные зондовые методы измерения средних параметров и пульсаций газодинамических величин в плотных потоках, либо не могут быть применены, либо не дают "достаточной точности, либо требуют принятия некоторых упрощающих предположений, типа [16]. С другой стороны, для условий сильно разреженных (свободномолекулярных) течений разработан комплекс методик, позволяющий получать средние характеристики потока [51]. В гиперзвуковых потоках низкой плотности наиболее остро стоит проблема измерений характеристик пульсаций. В области высоких плотностей потоков для таких измерений широко применяется метод термоанемометра. Метод технически прост и позволяет получать временные последовательности флуктуации массового расхода. Этих данных достаточно для определения всех волновых характеристик возмущений потока, используемых для сопоставления с теориями. Однако при понижении плотности падает не только интенсивность теплообмена с нагретой проволочкой, но изменяется и закон теплообмена [52]. Так, например, с падением числа Рейнольдса закон Кинга переходит в линейную зависимость от числа Рейнольдса. Все это приводит к увеличению времени тепловой релаксации проволочки и сужению частотного диапазона термоанемометра. Уменьшение диаметра проволочки не решает проблемы, так как вместе с уменьшением массы проволочки падает и число Рейнольдса. Быстро развивающиеся в последнее время методы лазерной диагностики (лазерная анемометрия, релеевское рассеяние света, лазерно-индуцированная флюоресценция и т.д.) еще технически сложны, требуют больших финансовых затрат и, в основном, применяются для исследования параметров жидкостей и достаточно плотных газовых потоков. Это связано с малым сечением взаимодействия фотонов с молекулами. При использовании мощных импульсных и импульсно-периодических лазеров удается измерить некоторые характеристики пульсаций в потоках низкой плотности, такие как амплитуда пульсаций плотности, корреляция пульсаций в двух точках, пространственный масштаб пульсаций. Но информацию, по полноте сопоставимую с данными измерений термоанемометром, этими методами получить невозможно. Для потоков низкой плотности более перспективной является диагностика пучками быстрых заряженных частиц, например, электронов. Сечение их взаимодействия с молекулами на много порядков выше, чем для фотонов. В частности, для измерения параметров течений низкой плотности в конце 50-х годов был использован пучок быстрых электронов. Техника получения электронных пучков проста, недорога и в настоящее время технически хорошо отработана.
Применяемый первоначально только для грубых измерений средней плотности по величине затухания пучка, метод стремительно развился благодаря пионерским работам, выполненным в США [53] и последующих работ научных коллективов России, в частности ЦАГИ [54] и, в особенности, ИТФ СО РАН [51]. В настоящее время электронный пучок используется для измерения средней плотности, температуры и скорости газа низкой плотности в динамике разреженного газа, где он " является, по сути, основным диагностическим методом. Диагностика потоков электронными пучками используется в трех основных вариантах: і регистрация электронно-пучковой флюоресценции, регистрация тормозного и характеристического рентгеновского излучения, измерение ослабления } пучка электронов в газе. Общим недостатком последних двух методов является невозможность их использования для получения локальных характеристик пульсаций плотности, необходимых для исследования разнообразных волновых явлений в гиперзвуковых течениях. Для второго метода это связано с малым потоком и малой эффективностью, регистрации рентгеновских квантов, что ограничивает частотный диапазон пульсаций низкочастотными колебаниями. Для третьего метода требуется использование одновременного многолучевого зондирования исследуемого объема газа, что представляется технически весьма сложным. Поэтому реально для целей диагностики волновых процессов возможно использование только первого метода. Однако, при этом сужается класс возможных течений и требуется
Метод и аппаратура для измерения средней плотности и пульсаций плотности, методы обработки сигналов
Оптическая система регистрации флюоресценции азота приведена на рис. 2.6. Она включала в себя светосильный объектив (1), оптический фильтр (2), светоделительный кубик (3), диафрагмы (4), ограничивающие поле зрения электронных фотоумножителей в пределах 1,7 мм поперек пучка и 3 мм вдоль оси пучка. Световой поток регистрировался фотоумножителями ФЭУ-79 (5). Ток пучка контролировался по току на коллектор электронов (6). Используемый в системе светофильтр имел диапазон пропускания 360-500 нм, в который попадает излучение 1-й отрицательной (1NG) и 2-й положительной (2PG) полос колебательно-вращательных переходов электронно-возбужденных молекул и молекулярных ионов азота со временем трубы. 20 40 f, кГц жизни TSSS610 с. Измерение диапазоне длин волн увеличивает световой поток на фотоумножитель и позволяет расширить частотный диапазон измеряемых пульсаций плотности. Кроме того, существенно уменьшается влияние колебательной и вращательной температуры газа на результаты измерений плотности [58]. Усредненная и пульсационная составляющие сигналов фотоумножителей усиливались и раздельно регистрировались на многоканальный магнитограф в режиме частотной модуляции в диапазоне 1 40 кГц. По другим каналам магнитографа одновременно регистрировались сигналы координатных устройств и ток на коллектор электронов. Сканирование поля течения по координате Y осуществлялось отклонением электронного пучка магнитной системы в пределах -0,02..+0,02 м относительно оси течения, по, координате Х- перемещением модели. Сканирование точки наблюдения по координате Z осуществлялось перемещением оптической системы вдоль оси электронного пучка. Измерительная схема позволяет выполнять не только одноточечные, но и двухточечные измерения в потоке. При измерениях вдоль потока исходный электронный пучок расщеплялся на два в направлении координаты X путем подачи на катушки магнитной системы управления прямоугольных электрических импульсов с частотой 20 кГц и скважностью равной единице (рис. 2.7, а).
Поворотом светоделительного кубика точки наблюдения каждого фотоумножителя настраивались на соответствующий луч. Поворот всей оптической системы на 90 вокруг оси, перпендикулярной направлению потока, дает возможность разведения точек наблюдения вдоль электронного пучка, в направлении трансверсальной координаты Z (рис. 2.7, б). При этом нет необходимости в расщеплении исходного пучка. Величина разведения точек измерения в обоих случаях могла изменяться от нуля до 0,04 м. Несмотря на упрощенную схему регистрации флюоресценции, позволяющую собирать максимальный световой поток из области измерения, его интенсивность оказалась недостаточной для проведения прямых измерений пульсаций плотности. Это связано с дискретной природой фототока, создающей широкополосный «дробовой» шум, интенсивность которого превышает уровень сигнала от пульсаций плотности, особенно на высоких частотах. Это обстоятельство не учитывалось в предыдущих измерениях методом электронного пучка (см., например, [18, 19]). Для исключения шума был применен метод «кросс-корреляции» получаемых с фотоумножителей сигналов. Шумовая составляющая сигналов ФЭУ является некоррелированной и при вычислении взаимного спектра сигналов зануляется. Во взаимном спектре остается только коррелированная часть, связанная с общим изменением интенсивности флюоресценции в точке наблюдения. Для этого предварительно производилось преобразование аналоговых сигналов магнитографа в массивы числовых данных с помощью быстродействующих 12-ти битных аналого-цифровых преобразователей в стандарте КАМАК. Частота дискретизации аналогового сигнала в реальном 0( времени состаляла 80 кГц, что позволяло получать спектральные характеристики до частоты 40 кГц, максимальной частоты записи и воспроизведения магнитографа НО 67 в режиме частотной модуляции.
Далее методом быстрого преобразования Фурье временных массивов данных вычислялись коэффициенты Фурье при действительных и мнимых членах разложения сигналов двух фотоумножителей [А}, В} и А2, B2), регистрирующих флюоресценцию азота из одной точки наблюдения. При этом во взаимном спектре сохраняется часть сигнала, связанная только с пульсациями плотности, которые являются общими для обоих Щ фотоумножителей. Взаимные спектры мощности сигналов 1}2ф вычислялись с использованием алгебраических соотношений [59]: (2.1)
Методика восстановления пульсаций плотности на двумерной поверхности сжатия
Оптическая система регистрации флюоресценции азота приведена на рис. 2.6. Она включала в себя светосильный объектив (1), оптический фильтр (2), светоделительный кубик (3), диафрагмы (4), ограничивающие поле зрения электронных фотоумножителей в пределах 1,7 мм поперек пучка и 3 мм вдоль оси пучка. Световой поток регистрировался фотоумножителями ФЭУ-79 (5). Ток пучка контролировался по току на коллектор электронов (6). Используемый в системе светофильтр имел диапазон пропускания 360-500 нм, в который попадает излучение 1-й отрицательной (1NG) и 2-й положительной (2PG) полос колебательно-вращательных переходов электронно-возбужденных молекул и молекулярных ионов азота со временем трубы. 20 40 f, кГц жизни TSSS610 с. Измерение диапазоне длин волн увеличивает световой поток на фотоумножитель и позволяет расширить частотный диапазон измеряемых пульсаций плотности. Кроме того, существенно уменьшается влияние колебательной и вращательной температуры газа на результаты измерений плотности [58]. Усредненная и пульсационная составляющие сигналов фотоумножителей усиливались и раздельно регистрировались на многоканальный магнитограф в режиме частотной модуляции в диапазоне 1 40 кГц. По другим каналам магнитографа одновременно регистрировались сигналы координатных устройств и ток на коллектор электронов. Сканирование поля течения по координате Y осуществлялось отклонением электронного пучка магнитной системы в пределах -0,02..+0,02 м относительно оси течения, по, координате Х- перемещением модели. Сканирование точки наблюдения по координате Z осуществлялось перемещением оптической системы вдоль оси электронного пучка. Измерительная схема позволяет выполнять не только одноточечные, но и двухточечные измерения в потоке. При измерениях вдоль потока исходный электронный пучок расщеплялся на два в направлении координаты X путем подачи на катушки магнитной системы управления прямоугольных электрических импульсов с частотой 20 кГц и скважностью равной единице (рис. 2.7, а). Поворотом светоделительного кубика точки наблюдения каждого фотоумножителя настраивались на соответствующий луч. Поворот всей оптической системы на 90 вокруг оси, перпендикулярной направлению потока, дает возможность разведения точек наблюдения вдоль электронного пучка, в направлении трансверсальной координаты Z (рис. 2.7, б). При этом нет необходимости в расщеплении исходного пучка. Величина разведения точек измерения в обоих случаях могла изменяться от нуля до 0,04 м. Несмотря на упрощенную схему регистрации флюоресценции, позволяющую собирать максимальный световой поток из области измерения, его интенсивность оказалась недостаточной для проведения прямых измерений пульсаций плотности.
Это связано с дискретной природой фототока, создающей широкополосный «дробовой» шум, интенсивность которого превышает уровень сигнала от пульсаций плотности, особенно на высоких частотах. Это обстоятельство не учитывалось в предыдущих измерениях методом электронного пучка (см., например, [18, 19]). Для исключения шума был применен метод «кросс-корреляции» получаемых с фотоумножителей сигналов. Шумовая составляющая сигналов ФЭУ является некоррелированной и при вычислении взаимного спектра сигналов зануляется. Во взаимном спектре остается только коррелированная часть, связанная с общим изменением интенсивности флюоресценции в точке наблюдения. Для этого предварительно производилось преобразование аналоговых сигналов магнитографа в массивы числовых данных с помощью быстродействующих 12-ти битных аналого-цифровых преобразователей в стандарте КАМАК. Частота дискретизации аналогового сигнала в реальном 0( времени состаляла 80 кГц, что позволяло получать спектральные характеристики до частоты 40 кГц, максимальной частоты записи и воспроизведения магнитографа НО 67 в режиме частотной модуляции. Далее методом быстрого преобразования Фурье временных массивов данных вычислялись коэффициенты Фурье при действительных и мнимых членах разложения сигналов двух фотоумножителей [А}, В} и А2, B2), регистрирующих флюоресценцию азота из одной точки наблюдения. При этом во взаимном спектре сохраняется часть сигнала, связанная только с пульсациями плотности, которые являются общими для обоих Щ фотоумножителей. Взаимные спектры мощности сигналов 1}2ф вычислялись с использованием алгебраических соотношений [59]: (2.1)
Исследование волновых процессов в ближнем гиперзвуковом ламинарном следе за газодинамическим свистком
В экспериментах изучалось поле течения в ближнем следе за цилиндрическим кососрезным газодинамическим свистком под нулевым углом атаки. Схема, общий вид и визуализация обтекания свистка приведены на рис. 2.8, 2.9 и 2.10. Длина свистка от носика до заднего торца составляет 65 мм, внешний диаметр свистка был 8 мм, внутренний полости резонатора — б мм, передний торец свистка срезан под углом 22. Корпус свистка имеет контур водяного охлаждения. Свисток был укреплен на державке толщиной 5 мм с клиновидной передней гранью с углом клина 20, расположенной перпендикулярно потоку. При обтекании свистка гиперзвуковым потоком в его полости возбуждались интенсивные колебания давления амплитудой до 150 дБ, что сравнимо с давлением за прямым скачком в гиперзвуковом потоке. Частота колебаний определялась положением поршня в трубке. Колебания давления в свистке вызывали колебания головного скачка уплотнения и параметров течения в следе. Сигнал датчика пульсаций давления, установленного в поршне свистка, позволял контролировать амплитуду и частоту пульсаций в полости свистка и использовался в качестве опорного сигнала при выделении периодического сигнала в следе на фоне шума потока аэродинамической трубы. В частности, пульсации плотности на основной частоте и частоте гармоники выделялись путем взаимной корреляции (получения взаимного спектра) между сигналом ФЭУ и сигналом датчика пульсаций давления в полости свистка на соответствующих частотах. Малый диаметр цилиндра корпуса свистка позволил расширить диапазон относительных расстояний в гиперзвуковом следе, вплоть до расстояний x/d = 25 от заднего торца свистка. Схема измерений приведена рис. 3.11 и не претерпела существенных изменений по сравнению со схемой измерений в ближнем поле за острым конусом. С целью максимального использования однородного ядра потока аэродинамической трубы для измерений свисток был смещен вниз вдоль пучка электронов относительно оси потока на 0,03 м.
Из-за расширения потока в рабочей камере это привело к возникновению небольшого положительного угла атаки плоскости входного отверстия свистка, который оценивается в 2. Измерения выполнены для трех частот колебаний в полости свистка: /== 5,6; 7,5 и 10,3 кГц, которым соответствуют частотные параметры F=0,39, F = 0,56, F = Q,79. Автоспектр пульсаций давления в полости свистка для частоты 10,3 кГц приведен на рис. 3.12. Видно, что наибольшую амплитуду имеют пульсации на основной частоте. Суммарная амплитуда пульсаций давления в полости составляла, соответственно, 151; 149 и 147 дБ. Дополнительно проводился эксперимент со свистком без колебаний. Для этого в полость свистка без зазора вкладывалась вставка в виде срезанного под таким же углом, как и трубка, стержня. При этом внешняя форма свистка сохранялась прежней. Измерения выполнялись только в плоскости проходящей через пучок и ось следа. Сканирование поля следа по оси X осуществлялось Щ перемещением модели вдоль потока на расстояние до 0,2 м. Оптическая система регистрации флюоресценции азота имела также возможность сканировать поле течения вдоль пучка электронов (по оси 2). Одновременным движением, модели и оптической системы достигалось сканирование всего поля течения в плоскости, проходящей через ось следа. Методика восстановления средней плотности и пульсаций плотности аналогична методике использованной для ближнего следа за конусом. Электронно-пучковые измерения показали, что относительная величина периодических пульсаций плотности в области заднего торца Щ газодинамического свистка составляет п /пм &0,5%-1 %. Распределение нормированной средней плотности в следе при наличии колебаний в полости свистка на частоте F— 0,56-1СҐ представлено на рис. 3.13. Угол наклона ударной волны к оси потока близок к 6,5-7. Измерения распределения средней плотности в следе за свистком при наличии и отсутствии колебаний показали, что в отличие от следа за конусом, все данные хорошо обобщаются в конических координатах (X, 0).
Здесь угол 0 отсчитывается от оси следа. Эти координаты соответствуют коническому течению из некоторой эффективной точки на оси X, которая была определена по наклону ударной волны. Измерения также показали, что, в пределах точности, распределения средней плотности в следе при наличии и отсутствии колебаний давления в свистке совпадают. На рис. 3.14 приведено сравнение профилей средней плотности в области сечения x/J = 25 + 1. Выбор сечения для сопоставления F обоснован тем, что возможные различия должны в наибольшей степени проявляться на больших расстояниях вниз по потоку. Видно, что профили плотности, при наличии и отсутствии колебаний, хорошо совпадают. Это щ свидетельствует о достаточно малой амплитуде колебаний среднего поля течения в следе при введении искусственных возмущений, и, соответственно, слабом искажении поля среднего течения. Те же результаты были получены и для других частот возмущений. На рис. 3.15 представлен профиль средней плотности в следе за свистком при наличии вставки в полость резонатора в сечении x/d— 25 + 1,5 от заднего торца свистка и профиль мощности суммарных естественных пульсаций плотности. Данные представлены в зависимости от величины угла & конической системы координат. На графике видно, что энергия пульсаций, в основном, сосредоточена непосредственно под ударной волной.
