Введение к работе
Актуальность работы. Первоначальный практический интерес к конфигурации головной части в виде затупленного тела с иглой был обусловлен задачей управления лобовым сопротивлением, тепловыми потоками и положением центра давления сверхзвукового летательного аппарата. Позднее было обнаружено, что при некоторых геометрических и газодинамических параметрах может реализоваться пульсирующее осесимметричное течение с передней зоной отрыва. При этом уровень пульсаций может достигать величины скоростного напора и выше, что может привести к повышению уровня вибрационных нагрузок на конструкцию летательного аппарата и бортовое оборудование. В то же время, физический механизм интенсивных автоколебаний до сих пор окончательно не выяснен, а уровни пульсаций давления на поверхности модели, приведенные в различных работах для сходных конфигураций, различаются.
В работе исследован один из возможных режимов автоколебательного течения с передней зоной отрыва пульсационный. Пульсации потока на такой конфигурации впервые обнаружены Майром [1] в 1952 г.
Цель работы заключается в экспериментальном и численном исследовании пульсационного режима течения на теле в виде цилиндра с иглой при числе Маха набегающего потока М = 6. Требуется определить влияние длины и угла конуса иглы на характер пульсаций, выявить структуру течения в передней отрывной области, прояснить причины и процесс формирования зоны отрыва, а также уточнить механизм установления автоколебаний.
Для проведения этой работы требуется разработать методику экспериментального исследования быстропротекающих квазипериодических (т.е. процессов, длительность циклов которых несколько меняется от цикла к циклу, при этом среднее значение длительности циклов остается неизменным с течением длительного промежутка времени) процессов.
Научная новизна работы.
1. Получены статистические данные о влиянии длины и угла конуса иглы на режим пульсаций, возникающих при обтекании цилиндра с установленной на его торце иглой сверхзвуковым потоком газа с М = 6.
2. Экспериментально обнаружена автоколебательная мода пульсаций, при которой существуют циклы как соответствующие частоте максимума главной гармоники в спектре, так и циклы с удвоенной длительностью.
3. Уточнен процесс образования передней отрывной области, выявлены два механизма формирования встречного течения в отрывной зоне: первый обусловлен отрывом пограничного слоя на поверхности иглы под воздействием ударных волн, второй неоднородным распределением давления вблизи торца цилиндра, которое возникает благодаря разной величине потерь полного давления потока за различными участками головной ударной волны, движущейся к торцу цилиндра.
4. Экспериментально и численно подтверждено наличие сложной неоднородной структуры течения в передней отрывной зоне, показано существование ударных волн и двух локальных областей сверхзвукового течения в зоне отрыва для некоторых фаз автоколебательного процесса.
Достоверность результатов обеспечена:
-
результатами эксперимента в двух аэродинамических трубах Т-313
и Т-326 ИТПМ СО РАН при различных числах Рейнольдса и уровнях естественных возмущений набегающего потока; -
использованием трех типов датчиков двух различных принципов работы (тензодатчик и пьезодатчики);
-
калибровки датчиков при помощи нагружения статическим давлением (тензодатчик) и на ударном стенде (все типы датчиков);
-
проведением многократных испытаний одной конфигурации;
-
соответствием экспериментальных и расчетных данных.
Научная и практическая ценность результатов работы.
1. Разработана и реализована методика экспериментального исследования быстропротекающих квазипериодических процессов, включающая
в себя:
автоматизированную систему сбора данных, предназначенную для исследования быстропротекающих квазипериодических процессов; методика позволяет провести совместное исследование данных визуализации течения и локального измеряемого параметра (пульсаций пристенного давления).
методику обработки экспериментальных данных, позволяющую исследовать развитие квазипериодического процесса во времени: установить последовательность смены фаз и их длительность, а также получить статистические данные о циклах автоколебаний.
2. Полученные на основании результатов разработанной методики данные позволили выявить структуру течения в передней отрывной области, уточнить процесс формирования встречного течения и механизм установления пульсаций при сверхзвуковом обтекании затупленного тела
с иглой.
На защиту выносятся:
1. результаты исследования пульсационного режима течения вблизи тела с иглой при числе Маха набегающего потока М = 6;
2. методика экспериментального исследования быстропротекающих квазипериодических процессов.
Апробация результатов. Результаты работы представлялись на семинаре академика В.М.Фомина в ИТПМ им. С.А, Христиановича СО РАН и конференциях: «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей», 2004, 2005; «Вычислительный эксперимент в аэроакустике», 2006; Всероссийском семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям, 2007; International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR), 2004, 2007, 2008; East West High Speed Flow Field Conference (EWHSFF), 2005, 2007; International Shock Interaction Symposium (ISIS), 2008.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 217 страниц, 102 рисунка. Список литературы содержит 114 наименований.
