Введение к работе
Актуальность темы. Развитие космической техники и создание высокоскоростных самолетов вызвало интерес к изучению характеристик возмущений в гиперзвуковом пограничном слое. Актуальность этих исследований связана с существенным влиянием состояния пограничного слоя на уровень тепловых потоков, интенсивность силовых и вибрационных нагрузок на конструкцию гиперзвуковых аппаратов. В последнее время усилилось внимание к проблеме восприимчивости и развития возмущений в гиперзвуковом пограничном слое при больших числах Маха (]VL>10) и умеренных числах Рейнольдса в связи с перспективой создания гиперзвукового летательного аппарата.
В условиях высокоскоростного высотного полета гиперзвуковой пограничный слой на передних кромках планера летательного аппарата реализуется в виде вязкого ударного слоя. Возмущения, формирующиеся в нем, оказывают существенное влияние на развитие пульсаций вниз по потоку и процесс ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое летательного аппарата в целом. В настоящее время степень проработки этой проблемы является недостаточной. Полученные ранее результаты для гиперзвукового пограничного слоя не могут быть прямо перенесены на гиперзвуковой ударный слой, так как течение в ударном слое имеет ряд специфических особенностей, затрудняющих его теоретическое и экспериментальное исследование. К ним можно отнести влияние близко расположенной ударной волны на развитие возмущений, существенную непараллельность течения, наличие скольжения потока и температурного скачка на поверхности. В экспериментальном плане приходится иметь дело с высокоэнтальпийными потоками низкой плотности, где традиционные зондовые и лазерные методы диагностики не могут быть обосновано применены.
Это приводит к необходимости новых подходов к проблеме изучения нестационарных процессов в гиперзвуковом ударном слое, в том числе, использованию адекватных течению методик диагностики и комплексное использование трубного эксперимента и численного моделирования. В прикладном аспекте проблемы получение полной и достоверной информации о восприимчивости и характеристиках возмущений в гиперзвуковом ударном слое позволит в перспективе развить эффективные методы управления характеристиками гиперзвукового пограничного слоя с целью снижения сопротивления трения летательного аппарата.
Цель работы:
- совершенствование методов экспериментальных исследований
гиперзвуковых течений низкой плотности;
- получение новых экспериментальных данных о восприимчивости и
характеристиках возмущений в гиперзвуковом ударном слое;
- построение физических моделей процессов восприимчивости и
развития возмущений в гиперзвуковом ударном слое
разработка методов управления волновыми процессами в гиперзвуковом ударном слое. Научная новизна:
разработаны новые и усовершенствованы известные методы создания в гиперзвуковом набегающем потоке и ударном слое контролируемых периодических акустических возмущений определенной моды и исследованы их характеристики;
усовершенствован метод электронно-пучковой флюоресценции для измерения средней плотности и пульсаций плотности в гиперзвуковом ударном слое, повышена локальность и точность этих измерений;
впервые получены данные по волновым характеристикам возмущений плотности в ударном слое на пластине, генерируемые акустическими возмущениями внешнего потока и периодическим источником на поверхности пластины;
впервые для высоких чисел Маха экспериментально продемонстрирована возможность управления интенсивностью пульсаций в гиперзвуковом ударном слое, порождаемых возмущениями внешнего потока, с помощью контролируемых возмущений, генерируемых на поверхности модели.
Научная и практическая ценность работы:
Автором разработаны и реализованы методики, позволяющие использовать метод искусственных возмущений для исследования восприимчивости и развития возмущений, и метод управления интенсивностью пульсаций в гиперзвуковом ударном слое.
Автором получены результаты, расширяющие представления о волновых процессах в высокоскоростных гиперзвуковых пристенных течениях.
Достоверность. В экспериментальных исследованиях использована не возмущающая поток электронно-пучковая диагностика, адаптированная к условиям гиперзвуковых течений низкой плотности, применен метод искусственных контролируемых возмущений. Для надежного определения физических процессов, ответственных за возникновение и развитие возмущений в ударном слое, использовано сопоставление данных измерений в гиперзвуковой аэродинамической трубе и результатов прямого численного моделирования.
На защиту выносятся:
- методы и устройства создания контролируемых периодических
акустических возмущений медленной и быстрой моды в свободном
гиперзвуковом потоке и введения периодических возмущений в ударный
слой на пластине;
- метод активного управления интенсивностью пульсаций в гиперзвуковом
ударном слое;
результаты экспериментальных исследований восприимчивости и развития естественных и искусственных возмущений плотности в гиперзвуковом ударном слое на пластине;
физические модели возникновения и эволюции возмущений в гиперзвуковом ударном слое на пластине под воздействием внешних акустических возмущений.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на следующих конференциях и семинарах:
Международные научно-технические студенческие конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск 2004, 2005, 2006); Всероссийские научные конференции студентов-физиков и молодых ученых (Новосибирск, ВНКСФ-12 2006); Молодежная конференция «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск 2005); Всероссийские конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск 2005, 2007); Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск 2006), Международные конференции по методам аэро физических исследований «ICMAR» (Новосибирск 2004, 2007); Международная конференция по механике жидкости «ЕВРОМЕХ» (Стокгольм, Швеция 2006); IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород 2006); IV Международная конференция по вычислительной динамике жидкости (Гент, Бельгия 2006); V Азиатский международный семинар по вычислительной динамике жидкости (Сиань, Китай 2006); Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва» (Новосибирск, 2007).
Публикации. Результаты исследований автора опубликованы в 19 научных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 177 страниц, включая 132 страницы текста, 78 иллюстрации и 102 наименований цитируемой литературы.
Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке задач численных и экспериментальных исследований, постановке экспериментов и их проведении. Им созданы алгоритмы и программы обработки данных измерений, выполнена обработка результатов всех экспериментов. Автором выполнены все расчеты по линейной теории взаимодействия акустических волн с ударной волной, проведено сравнение экспериментальных данных с данными прямого численного моделирования. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
