Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование оптического разряда и поглощения энергии импульсно периодического СО2 – лазера в сверхзвуковом потоке воздуха 23
1.1. Экспериментальная установка и методы измерений 26
1.1.1. Схема проведения экспериментов 26
1.1.2. Импульсно-периодический СО2 – лазер и характеристики излучения 28
1.1.3. Методика измерения поглощения энергии излучения лазера 32
1.1.4. Аэродинамический стенд 35
1.1.5. Пневмометрические измерения. 35
1.1.6. Система визуализации 36
1.2. Численный расчет параметров потока 36
1.2.1. Постановка задачи 37
1.2.2. Начальные и граничные условия 38
1.2.3. Результаты численного моделирования 39
1.3. Результаты экспериментально-расчетных исследований 44
1.3.1. Динамика пробоя воздуха и поглощение энергии лазерного излучения плазмой пробоя 44
1.3.2. Измерения количества поглощенной энергии в сверхзвуковом потоке воздуха 46
Выводы по главе 1. 50
Глава 2. Формирование теплового следа оптическим пульсирующим разрядом 51
2.1. Экспериментальная установка и методы измерений 51
2.1.1. Аэродинамическая установка 52
2.1.2. Методы измерения газодинамических параметров 55
2.1.3. Оптические методы визуализации течения 56
2.2. Экспериментальные результаты 61
2.2.1. Формирование ударной волны от оптического пульсирующего разряда 61
2.2.2. Формирование теплового следа 68
2.2.3. Модель точечного взрыва с противодавлением 71
2.2.4. Воздействие теплового следа на ударную волну 74
2.2.5. Условие квазиоднородности течения 77
2.2.6. Газодинамические параметры в тепловом следе 81
Выводы по главе 2 91
Глава 3. Взаимодействие ударной волны с тепловым следом, создаваемым инжекцией нагретого газа 93
3.1. Методики проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных 97
3.1.1. Схема проведения эксперимента 97
3.1.2. Система подачи горячего газа 99
3.1.3. Методика измерения давления 100
3.2. Экспериментальные результаты 101
3.2.1. Определение температуры теплового слоя 101
3.2.2. Измерение профилей возмущенного давления 102
3.2.3. Пересчет профилей возмущенного давления, измеренных в ближней зоне, на большие удаления 106
3.3. Численное моделирование 108
3.3.1. Постановка задачи 108
3.3.2. Начальные и граничные условия 109
3.4. Результаты численного моделирования 109
3.4.1. Влияние основных параметров теплового слоя на интенсивность прошедшей ударной волны 112
3.4.2. Вклад температуры и числа Маха в уменьшение интенсивности прошедшей ударной волны 116
Выводы по главе 3 120
Заключение 121
Перечень основных обозначений 123
Список литературы 126
- Импульсно-периодический СО2 – лазер и характеристики излучения
- Оптические методы визуализации течения
- Система подачи горячего газа
- Пересчет профилей возмущенного давления, измеренных в ближней зоне, на большие удаления
Введение к работе
Актуальность работы
Исследования в области плазменной аэродинамики актуальны в связи с поиском эффективных способов управления сверхзвуковыми течениями и аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов. Во многих исследованиях в России и за рубежом используются способы локального энергоподвода в поток. При всем многообразии способов локального подвода энергии, как правило, происходит формирование протяженной области неоднородности – теплового следа (ТС), который является основным фактором воздействия на сверхзвуковой поток. Наиболее технологичный для практического применения способ дистанционного воздействия – ввод энергии излучения. Организуется пробой газа с поглощением энергии излучения созданной плазмой. Уже в первых экспериментальных исследованиях использовалось лазерное излучение1, Современное состояние лазерной техники позволяет реализовать импульсный и/или квазинепрерывный режим подвода энергии за счет организации импульс-но-периодического пробоя газа в скоростном потоке. Наибольший эффект воздействия на поток и обтекание тел осуществляется при квазиоднородном распределении параметров в следе, которое было получено при протяженной фокусировке импульсно-периодического излучения в потоке аргона2. Однако при необходимой для пробоя в воздухе короткой (точечной) фокусировке излучения структура квазиоднородного следа не изучена, поскольку для его формирования требуются более высокие частоты следования лазерных импульсов. Актуальность таких исследований обусловлена необходимостью углубленного понимания динамики областей пробоя, их взаимодействия при формировании квазиоднородного ТС при высокой частоте следования лазерных импульсов в сверхзвуковом потоке воздуха.
Актуальными являются также исследования взаимодействия ударной волны (УВ) с непрерывным следом, полученным инжекцией нагретого газа в скоростной поток. Определены особенности воздействия таких неоднородностей на ударно-волновую структуру сверхзвуковых течений. Однако результаты исследований нельзя считать завершенными, поскольку в анализе возможности управления интенсивностью УВ используются различные подходы. Требуется комплексный анализ на основе результатов экспериментов и численного моделирования имеющихся подходов к задаче управления интенсивностью УВ при ее взаимодействии с непрерывным тепловым следом.
1 Борзов В.Ю., Михайлов В.М., Рыбка И.В., Савищенко Н.П., Юрьев А.С. Эксперимен
тальное исследование сверхзвукового обтекания препятствия при энергоподводе в невозму
щенный поток // Инженерно-физический журнал. 1994. Т. 66, № 5. C. 515-520.
2 Третьяков П.К., Грачев Г.Н., Иванченко А.И., Крайнев В.Л., Пономаренко А.Г., Тищен
ко В.Н. Стабилизация оптического разряда в сверхзвуковом потоке аргона // ДАН. 1994.
Т. 336, № 4. C. 466-467.
Цель работы - комплексное экспериментально-расчетное исследование структуры сверхзвукового течения с тепловым следом, образованным с помощью:
введения энергии пульсирующего лазерного излучения с точечной фокусировкой, обеспечивающей оптический пробой воздуха в сверхзвуковом потоке;
инжекции нагретого газа.
Задачи диссертационной работы.
Разработка технологии проведения экспериментов, создание экспериментальной установки, разработка методики проведения измерений.
Проведение экспериментов по созданию оптического пульсирующего разряда (ОПР) в сверхзвуковом потоке воздуха при точечной фокусировке им-пульсно-периодического излучения СО2-лазера. Выявление основных параметров, определяющих эффективность процесса поглощения энергии излучения в скоростном воздушном потоке.
Проведение аэрофизических экспериментов с определением закономерностей формирования ТС лазерным излучением методами скоростной визуализации, измерений газодинамических параметров в следе. Определение зависимости параметров ТС от характеристик импульсно-периодического излучения и условий квазиоднородности течения в тепловом следе.
Проведение экспериментов с инжекцией газа в сверхзвуковой поток для исследования взаимодействия слабой УВ со слоем нагретого газа.
Проведение численного моделирования с целью определения влияния газодинамических параметров ТС на изменение интенсивности взаимодействующей с ним ударной волны.
Научная новизна работы
Реализован ОПР в сверхзвуковом потоке воздуха с высокой (до 150 кГц) частотой следования импульсов излучения.
Определен порог формирования ОПР при короткой фокусировке (63 мм) излучения CO2-лазера в зависимости от плотности воздуха в потоке, мощности и частоты следования импульсов излучения.
На основе полученных экспериментальных и расчетных данных определено влияние газодинамических параметров сверхзвукового воздушного потока на величину поглощенной плазмой пробоя энергии излучения СО2-лазера мощностью до 4,5 кВт, работающего в режиме импульсно-периодического излучения в диапазоне частот следования импульсов 45-80 кГц.
Осуществлена скоростная визуализация ударно-волновой структуры, формируемой в сверхзвуковом (М = 1,36) потоке воздуха оптическим пульсирующим разрядом с частотой следования импульсов до 150 кГц; определены пространственные и временные интервалы существования в потоке областей низкой плотности, образованных разрядной плазмой и формирующих структуру теплового следа.
Получено экспериментальное подтверждение применимости теории точечного взрыва с противодавлением (сферической геометрии) для определения волновой структуры и характерных пространственно-временных масштабов теплового следа за ОПР при точечной фокусировке излучения CO2-лазера в сверхзвуковом потоке. Определены условия и получен количественный критерий квазиоднородности ТС в зависимости от газодинамических и энергетических параметров.
На основании результатов экспериментов и численного моделирования определено влияние газодинамических параметров на процесс взаимодействия УВ со слоем нагретого газа. Установлено определяющее влияние числа Маха потока в тепловом слое на эффект изменения интенсивности взаимодействующей с ним ударной волны.
Научная и практическая ценность работы
Определены условия поглощения в сверхзвуковом потоке воздуха до 60 % энергии излучения СО2- лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов до 80 кГц.
Экспериментально показано, что в ТС за областью энерговыделения происходит уменьшение полного давления и давления Пито, а также числа Маха. Показана слабая зависимость осредненных газодинамических параметров от частоты следования энергоимпульсов в диапазоне 60-150 кГц.
Показано, что достаточным условием значительного уменьшения интенсивности УВ при взаимодействии с тепловым слоем является существование в следе области дозвукового течения. Эффект уменьшения интенсивности УВ увеличивается с увеличением поперечного размера дозвуковой области и уменьшением числа Маха в тепловом следе.
Полученные результаты могут быть использованы в научно-исследовательских организациях, занимающихся исследованием, разработкой и применением активных методов воздействия на структуру высокоскоростного потока и обтекание тел.
Личный вклад автора заключается в подготовке и проведении экспериментов, планировании и разработке методик измерений и настройке оборудования, выполнении обработки и анализа экспериментальных данных, выполнении численного моделирования изучаемого явления, а также в сравнении расчетных и экспериментальных данных.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты экспериментально-расчетного исследования условий оптического пробоя сверхзвукового потока воздуха с определением эффективности поглощения плазмой пробоя излучения СО2-лазера со средней мощностью до 4,5 кВт, работающего в импульсно-периодическом режиме с частотой до 150 кГц.
Результаты экспериментального исследования ударно-волновой структуры и параметров течения в следе за оптическим пульсирующим разрядом.
Обоснование применимости теории точечного взрыва с противодавлением для моделирования конфигурации ударно-волновой структуры и характерных пространственно-временных масштабов теплового следа. - Результаты экспериментального и численного моделирования процесса взаимодействия слабой ударной волны с ТС, образованным путем инжекции нагретого газа в спутный поток.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением данных, полученных в различных экспериментальных установках и различных пусках установок, а также их сравнением с результатами численного моделирования и известными работами, выполненными другими авторами.
Апробация основных результатов: в российских журналах «Квантовая электроника», «Вестник НГУ: Физика», «Оптика атмосферы и океана», а также в специальном выпуске журнала «Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии». Основные результаты диссертационной работы докладывались на российских и международных научных конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе, на Международном симпозиуме ISSW30 (Израиль, Тель-Авив, 2015), на Международной конференции по методам аэрофизических исследований ICMAR’2010 (Новосибирск, 2010), ICMAR’2012 (Казань, 2014), ICMAR’2014 (Новосибирск, 2014), на Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной 100-летию со дня рождения академика В.В. Стру-минского «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2014), Всероссийском семинаре «Динамика многофазных сред» (Новосибирск, 2014), на Всероссийских конференциях «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» CLAPT’2013, CLAPT’2015 (Новосибирск, 2013 и 2015), на 13 Азиатском симпозиуме по визуализации (Новосибирск, 2015), на Международной научной конференции по механике «VI Поляховские чтения» (Санкт-Петербург, 2012), на 10 Российском симпозиуме «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах» (Новый Афон, Абхазия, 2012), на 9 Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, 2011), на Международном симпозиуме «XVIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers&High Power Lasers» (София, Болгария, 2010), на Международной научной конференции «Системный анализ, управление и навигация» (Евпатория, Украина, 2009), на Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2008 и 2009).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 99 наименований. Объем работы составляет 134 страницы, включая 3 таблицы и 72 рисунка.
Импульсно-периодический СО2 – лазер и характеристики излучения
В рамках уравнений Навье-Стокса в [56] рассмотрено взаимодействие сильной сферической УВ с тепловым слоем, расположенным над плоской поверхностью. Показано снижение (до 40%) интенсивности УВ, прошедшей тепловой слой, а также эффекты запирания теплового слоя в результате интерференции отраженных возмущений внутри теплового слоя. Результаты исследований влияния градиента температуры внутри теплового слоя [57] показали усиление УВ, прошедшей тепловой слой с отрицательным градиентом температуры, что объясняется различными темпами затухания ударных волн в теплом и холодном газе. На основании численного моделирования процесса взаимодействия плоской УВ c тепловым слоем, а также аналитического анализа в рамках теории коротких волн, в [58] показано, что в зависимости от параметров падающей УВ (интенсивность, длина волны) и теплового слоя (толщина, температура) интенсивность прошедшей тепловой слой УВ может как уменьшаться, так и увеличиваться. При прочих равных условиях изменение интенсивности прошедшей УВ определяется отношением температур в тепловом слое и основном потоке. В то же время в акустическом приближении обеспечивается монотонное уменьшение интенсивности прошедшей тепловой слой слабой УВ при уменьшении отношения акустических импедансов газов в тепловом слое и окружающем пространстве. В работе [59] в рамках совершенного газа численно исследовано двумерное взаимодействие УВ с нестационарным тепловым следом, генерируемым в сверхзвуковом потоке импульсно-периодическим энергоисточником. В реализованной постановке на тепловой след воздействовала головная УВ, генерируемая областью энерговыделения, после ее отражения от плоскости, установленной по потоку вблизи энергоисточника. В связи с этим информация о влиянии величины подведенной энергии (от 1 до 15 Дж в импульсе) на процесс взаимодействия получена при изменяющейся интенсивности УВ, так как с увеличением энерговклада изменяется интенсивность, характер отражения, а также положение воздействия УВ на тепловой след. Тем не менее, при мощном энергоподводе (15 Дж в импульсе при частоте их следования 100 кГц) показано, что сильная УВ, сформированная при маховском отражении головной УВ от плоскости, взаимодействуя со средним по сечению дозвуковым тепловым слоем, отражается от него волной разрежения, а прошедшей тепловой слой УВ не наблюдается. В [60] по результатам численных расчетов
нестационарного взаимодействия УВ конкретной интенсивности (Аp = 1.8) с тепловым слоем заданной толщины, распространяющимся в сверхзвуковом потоке, показано, что существенное уменьшение интенсивности УВ обеспечивается при взаимодействии ее с дозвуковым тепловым слоем. Экспериментально и численно (в трехмерной постановке) в [61] анализируются возможные режимы взаимодействия УВ со струей, формирующейся в сверхзвуковом потоке инжекцией газов с различными физическими свойствами (Н2, воздух, аргон). Выделяется три основных режима взаимодействия: «сильное», когда скорость в следе дозвуковая, «умеренное», с формированием в окрестности скачка уплотнения дозвуковой области течения, и «нейтральное». На основании описанных выше эффектов разработано множество способов для защиты от поражающего воздействия УВ. Например, в работе [62] на основании численного моделирования показано, что при взаимодействии взрывной УВ с пылевой завесой происходит ослабление интенсивности УВ. При этом существенно зависит от толщины завесы, плотности и размера частиц. Характерной особенностью при этом является формирование вторичной УВ, образующейся при взаимодействии взрывной УВ с границей пылевого слоя.
В экспериментальной работе [63] показано, что завеса, создаваемая распыленной водой, обеспечивает гарантированное снижение перепада избыточного давления на фронте УВ. Эффект ослабления при этом достигается по средствам взаимодействия возмущений с каплями воды. Оригинальный способ защиты от воздействия УВ предложен в работе [64]. Непосредственно перед взрывом над поверхностью земли создаётся слой частиц, поглощающих, опережающую УВ, энергию излучения, тем самым прогревая слой атмосферного воздуха. После прохождения этого слоя УВ ослабляется, что обеспечивает снижение её поражающего воздействия. Недостатком данных способов является необходимость введения в атмосферу различного рода мелких частиц, что осложняет их практическое внедрение.
Анализ имеющихся работ показал, что задача управления течениями с помощью неоднородности в виде теплового следа проработана в значительной степени и вызывает большой интерес исследователей. Показаны широкие возможности применения тепловых неоднородностей в задачах управления сверхзвуковыми течениями. Однако результаты таких исследований нельзя считать завершенными.
Реализована лазерная искра в покоящемся газе и в потоке. Изучено взаимодействие структурной неоднородности – единичной тепловой каверны или серии от ОПР – с ударной волной. Проанализированы вопросы формирования оптического пробоя газов излучением различных лазеров, получены оценки требуемой мощности излучения, рассмотрена геометрия УВ от энергоисточника. Однако недостаточно данных по количественным оценкам пороговых полей пробоя сверхзвукового потока воздуха при давлениях порядка атмосферного для CO2 -лазера. Показано преимущество квазинепрерывного энергоподвода в сверхзвуковой поток на эффективность воздействия на структуру течения вблизи обтекаемого тела. Основными ограничениями реализации квазинепрерывного энергоподвода являются необходимые высокие энергетические и частотные параметры излучения лазера. Это преодолено за счет использования потока аргона, что снижет пороговые интенсивности пробоя, и продольного ввода луча, что формирует протяженный вдоль потока энергоисточник. Однако для реализации практического применения такого воздействия необходимы исследования процессов формирования теплового следа в сверхзвуковом потоке воздуха. К тому же использование ввода энергии в направлении, перпендикулярном скорости сверхзвукового потока, является наиболее удобным.
Таким образом, в описанных выше работах не реализованы условия, при которых формировался квазинепрерывный тепловой след при точечной фокусировке лазерного излучения в сверхзвуковом потоке воздуха.
Много работ посвящено исследованиям взаимодействия УВ с непрерывным слоем газа пониженной плотности. Показано, что под влиянием тепловой неоднородности набегающего потока происходит изменение формы и интенсивности ГУВ и, вследствие значительных потерь полного давления в следе, за источником энерговыделения возникает снижение волнового сопротивления. Уменьшение размеров энергоисточника (относительно обтекаемого тела) приводит к радикальной перестройке ударно-волновой структуры позволяет снизить волновое сопротивление тел при меньших энергозатратах.
Возможности снижения интенсивности ударной волны при введении тепловой неоднородности в поток также недостаточно изучены. Показана особенность перестройки течения: образование клиновидного крупномасштабного возмущения, опережающего фронт УВ. Исследованы механизмы нестационарного взаимодействия теплового следа с УВ. Проанализированы возможные режимы взаимодействия УВ со струей, формирующейся в сверхзвуковом потоке инжекцией газов с различными физическими свойствами. Результаты исследований указывают на принципиальную возможность снижения интенсивности УВ при взаимодействии её со слоем нагретого газа. Однако различные представления об определяющих параметрах, оказывающих воздействие на интенсивность УВ, порождают необходимость дальнейших исследований в данной области.
Оптические методы визуализации течения
Для проведения пневмометрических измерений использовалась гребенка миниатюрных зондов давления торможения 4 (зонд Пито, dз 0.5 мм) и приемник статического давления (dз 0.9 мм). Гребенка зондов давления торможения представляет собой 14 зондов Пито, расположенных в перпендикулярных плоскостях. Расстояние между осевыми линиями соседних приемников составляло 1.5 мм, что исключало их взаимное влияние друг на друга [78]. Измерения проводились на разных удалениях от фокуса оптического излучения путем зондирования потока в вертикальном и горизонтальном направлениях относительно его оси симметрии в условиях подвода в поток энергии и без энергоподвода. Для повышения достоверности результатов, измерения в условиях существенной неоднородности потока проводились с учетом рекомендаций по влиянию взаимодействия неоднородностей потока с измерительным зондом на погрешность измерений [79]. Использовались тензометрические датчики абсолютного давления отечественного производства типа ТДМ-А с номиналами 0.1 и 0.63 МПа и 1.0 МПа. Сигналы с датчиков давления поступали на вход многоканальной быстродействующей регистрирующей аппаратуры SCP-3200 с разрешением по времени 0.1 мс. Абсолютная погрешность измерения датчиками в используемом диапазоне давлений не превышала 0.01% от номинального давления датчика, т.е. максимальное значение погрешности составляло 100 Па. Однако точность определения величины давления в заданной точке включает в себя также погрешность задания величины полного давления в форкамере, а также ошибку определения координаты при монтаже измерительной гребенки, и оценивается в 4%. Абсолютная погрешность определения величины давления (при измерениях с помощью датчика 1.0 МПа) составляла 0.4 ата. Абсолютные погрешности, связанные с точностью установления координаты измерительной гребенки, составляют 0.25 мм.
Амплитудно-частотные характеристики датчиков давления были определены
протяженными пневмотрассами «зонд-датчик», что существенно обрезало верхний диапазон воспринимаемых частот относительно диапазона частот модуляции добротности излучения лазера. В связи с этим в процессе пневмометрических измерений регистрируется осредненное по времени и по площади приемного отверстия зонда давление.
Температура торможения в следе измерялась термопарой, изготовленной с помощью термопарной проволоки хромель и капель с диаметром 0.15 мм класса А1. Горячий спай помещался в приемник температуры торможения, изготовленный по рекомендациям [80].
Для визуализации структуры течения с пульсирующей в центре потока плазмой установка оснащена системой оптической диагностики (Рис. 2.5). Используемая система включает комплект из двух коллиматоров на базе телескопов ТАЛ-100R или АК-0.5 (1), скоростную видеокамеру Videoscan-285 (2) с варьируемым временем экспозиции в широких пределах с минимальным значением этого параметра 3.5 мкс. Для получения снимков с более коротким временем экспозиции (от 150 нс) включение лазера подсветки (3) и видеокамеры было синхронизовано соответствующим образом с помощью двухканального генератора импульсов Г5-56 (6). При съемке «усредненной» картины течения с большой (200 мкс) экспозицией для подавления собственного свечения плазмы использовались светофильтры и диафрагма (4). Рис.
В ходе работы были апробированы различные виды оптических методов, базирующихся на: прямотеневых схемах и схемах с плоским ножом Фуко (5), а также на схемах с использованием в качестве визуализирующих диафрагм адаптивного визуализирующего транспаранта (АВТ) [81] или самонаводящегося фильтра Цернике на основе эффекта просветления [82]. Апробация и отладка методов производилось на аэродинамическом стенде (dс = 10мм), описанном в главе 1.
Основными характеристиками процесса, влияющими на качество снимков, являются высокие скорости изменения картины течения, а также наличие слабых возмущений потока на фоне более сильных.
Картины истечения сверхзвуковой струи из сопла dс = 10мм, представленные на Рис. 2.6, получены с помощью оптической схемы с самонаводящимся фильтром Цернике на основе эффекта просветления. Подробное описание самонаводящегося фильтра Цернике на основе эффекта просветления дано в патенте [83].
Наблюдаемая интерференционная картина хорошо описывает структуру сверхзвуковой струи (Рис. 2.6 а). Однако метод не позволяет получить такую же четкую картину при введении в поток энергии пульсирующего лазерного излучения. Появление ОПР приводит к существенной нестационарности процесса и снимки, полученные с помощью данного метода, являются малоинформативными (Рис. 2.6 б). Для просветления фильтра требовалось время 40 мкс. Поэтому использование метода было возможно только на больших (для нашего эксперимента) временах экспозиции.
При визуализации процессов с использованием в качестве ножа Фуко АВТ [81, 84] в данной работе возникали аналогичные проблемы. АВТ представляет собой тонкую пластинку из фототропного стекла, которая под действием излучения затемняется. В отсутствии излучения материал АВТ просветляется. Это дает преимущество в виде уменьшения шумов и возможности съемки малых изменений плотности на фоне более сильных. Однако этот процесс занимает несколько секунд, поэтому от использования данного метода также пришлось отказаться.
Система подачи горячего газа
Мерная база измерительной пластины, включающая 29 дренажных отверстий диаметром 0.3 мм с разрешением по координате 2.5 мм, позволяла регистрировать профиль давления на длине до 70 мм. Первая измерительная точка находилась на расстоянии 25 мм от передней кромки пластины. Учитывая малое время существования рабочего режима, для обеспечения минимальной инерционности установления давления в пневмотрассах датчики давления (6), смонтированные в блоках по 5 штук, располагались в рабочей камере аэродинамической установки. В экспериментах использовались тензометрические датчики абсолютного давления типа ТДМ9-А-0.1, ТДМ9-А-0.06, описанные в главе 2. Сигналы с датчиков давления по кабельным линиям через герметичные разъемы поступали на вход регистрирующей аппаратуры SCP-3200. Наблюдение и регистрация процесса формирования теплового слоя в сверхзвуковом потоке, а также взаимодействие следа с головной ударной волной, генерируемой моделями, производилось с помощью оптической системы, также описанной во 2 главе. Использовалась схема с АВТ. Источник света – непрерывный лазер с диодной накачкой с длиной волны 532 нм.
Для формирования теплового слоя использовался газогенератор, разработанный в ИТПМ СО РАН [94].
Схема получения нагретого газа с помощью газогенератора, расположенного вне экспериментальной установки, показана на Рис. 3.6 [94]. Установка включала в себя газогенератор, систему подачи окислителя, систему подачи газообразного топлива, блок электропитания и систему регистрации измеряемых параметров. 1 - газогенератор, 2 – свеча зажигания, 3 – выход продуктов сгорания, 4 -электромагнитный клапан, 5 – газовый редуктор, 6 - подача напряжения (24 В), 7 – датчик давления, 8 – баллон с водородом (2 дм3), 9 – подача водорода, 10 – баллон со сжатым воздухом (6,5 дм3), 11 - подача воздуха, 12 – форкамера аэродинамической установки МАУ
Газогенератор (1) был выполнен в виде вертикального цилиндра внутренним диаметром 26 мм и длиной 60 мм. Верхняя часть цилиндра заглушена резьбовой пробкой, по центру которой установлена свеча зажигания (2). Газообразное топливо поступало в камеру сгорания газогенератора через боковой трубопровод диаметром 4 мм (9). Через дно газогенератора проходила трубка (11) диаметром 4 мм для подачи окислителя. Окислитель (воздух) и газообразное топливо (водород) поступали из баллонов объёмом 6.5 дм3 и 2 дм3 соответственно, через электропневмоклапана (4) и газовые редукторы (5), что позволяло поддерживать давление окислителя и топлива в процессе испытаний практически постоянным. Манометры (7), установленные на баллонах с водородом и воздухом, позволяли контролировать давление и массу газа в баллоне до и после проведения экспериментов.
Процесс работы газогенератора был строго синхронизирован. В ходе проведения экспериментов первой осуществлялась подача окислителя, затем водорода, после чего смесь в камере сгорания газогенератора воспламенялась свечой зажигания. Продукты сгорания истекали по выходному трубопроводу (3) диаметром 4 мм, ориентированному по оси сопла, и подавались в сверхзвуковой поток рабочей камеры аэродинамической трубы. С целью приблизить задачу к плоской и снизить влияние дифракции УВ при взаимодействии с тепловым слоем, в торце трубопровода было организовано щелевое отверстие (1x5 мм или 0.5x5 мм), срез которого расположен на 5 мм выше по потоку от среза сопла (Рис. 3.5). Ось модели была удалена по высоте от измерительной пластины на 35 - 52 мм и на 16 - 33 мм от оси трубопровода.
Для получения полезного сигнала, которым является распределение по поверхности измерительной пластины относительного избыточного статического давления за отраженной УВ, использовался принцип суперпозиции возмущений. То есть предполагалось, что взаимодействие возмущенного течения, генерируемого моделью, с фоновым распределением давления на измерительной пластине (без модели) происходит по линейному закону, что довольно точно выполняется при превышении на порядок величины полезного сигнала по сравнению с фоновым сигналом. Следовательно, полезный сигнал можно определить как разницу между суммарным сигналом Дрс(х) и величиной фонового сигнала Дрф(х) (без модели): Ар (х) = Дрс (х) - Дрф (х) 3.5 где Дрс(х) = (рс(х) - Роо( ))/Роо( ), ЛРфО) = (Рф( ) - Роо(х))/Роо(х). Для получения приемлемого фонового распределения давления по измерительной пластине и равномерности набегающего потока в области распространения возмущений от модели до пластины, обеспечивающих лучшую точность измерений, пластина устанавливалась под нулевым углом атаки к потоку. Надо заметить, что в качестве фона при выделении сигнала с энергоподводом нужно использовать фоновое распределение давления по пластине Рф(х), полученное без модели, но в присутствие теплового слоя.
В дальнейшем эффективность воздействия теплового слоя на параметры УВ на больших удалениях определялись по результатам пересчета профилей возмущенного давления, измеренных в рабочей части аэродинамической установки вблизи модели, с использованием экспериментально - расчетного метода [95-96].
Перед основной серией экспериментов были выполнены методические исследования по определению режима горения в газогенераторе с целью получения на выходе из подающего трубопровода максимальной температуры продуктов сгорания при массовом расходе смеси газов порядка 15 - 20 % от расхода воздуха набегающего потока через миделево сечение модели. Для этого при различных стехиометрических коэффициентах смеси газов (водород-воздух) были проведены измерения температуры торможения на выходе из подающего трубопровода в рабочей части аэродинамической установки. Исследования проводились совместно со Звегинцевым В.И., Наливайченко Д.Г., Внучковым Д.А.
Приемник температуры торможения, изготовленный согласно рекомендациям [80] с использованием термопары типа «хромель-капель», диаметр горячего спая которой составлял 0.2 мм, устанавливался по оси теплового следа на удалении 5 мм от выходного сечения подающего трубопровода. Максимальная температура газа по результатам испытаний (Тj = 853 К) была реализована при расходах водорода GH= 0.15 г/с и воздуха 0возд = 5.6 г/с и толщине теплового слоя при выходе из щелевого отверстия трубопровода hj = 1 мм (см. Рис. 3.7). Дальнейшее повышение температуры было ограничено термостойкостью участка подающего трубопровода, расположенного в атмосфере. Существенное уменьшение начальной температуры продуктов горения (Г « 2273К ) и мощности энергоподвода (P 18 кВт) при транспортировке нагретого газа обусловлено теплообменом с металлическими элементами конструкции установки и окружающей атмосферой, а также гидравлическими потерями по трубопроводу и теплоотдачей в спутный сверхзвуковой поток.
Пересчет профилей возмущенного давления, измеренных в ближней зоне, на большие удаления
Существенное увеличение числа Маха струи, обусловленное сильным снижением температуры и увеличением скорости струйного потока при распространении его в спутном сверхзвуковом потоке, затрудняют возможность обеспечить в области взаимодействия дозвуковое течение и повышенную температуру потока, то есть условия, обеспечивающие уменьшение интенсивности ударной волны согласно [58] и [60] соответственно.
Для достижения положительного результата проведен расчет взаимодействия при более благоприятных условиях. При параметрах следа, соответствующих предыдущему варианту, была увеличена его температура до Тj = 5000К при истечении струи с начальным размером hj = 1мм и уменьшено начальное число Маха струи до Mj = 0.5. При этих условиях в области взаимодействия УВ с тепловым слоем минимальное число Маха составляло MJвз = 1.03, максимальная температура Тjвз = 654 К и минимальное отношение плотностей р. / рх = 0.23.
Увеличение начальной температуры нагретого газа практически на порядок привело к увеличению температуры в области взаимодействия всего на 30%. Это объясняется сильным охлаждением струи в спутном потоке на начальном участке струи протяженностью порядка 15 мм, при дальнейшем монотонном уменьшении до Т = 654К в области взаимодействия (см. Рис. 3.15). В то же время уменьшение начального числа Маха струи на 50% (в совокупности с повышением температуры) привело к уменьшению числа Маха в области взаимодействия в 2.7 раз, обеспечив в тепловом слое только трансзвуковое течение (Mjвз = 1.03). а - вдоль оси струи, б - поперек оси струи в области взаимодействия с УВ В области ожидаемого взаимодействия (х = 70 мм) температура по высоте слоя нагретого газа (см. Рис. 3.15б) изменяется симметрично от Ти= 154К на границе струи, соответствующей температуре спутного потока, до максимального значения Тj = 654 К в центре теплового слоя и последующим уменьшением до Т = 154К на нижней границе теплового слоя.
При характере течения в области взаимодействия близком к «умеренному режиму» [61] интенсивность УВ, прошедшей тепловой слой с заметно увеличенной температурой, уменьшается относительно падающей волны на 8%, что согласуется с оценками по [58] и, по-видимому, определено влиянием акустических импедансов слоя нагретого газа и спутного потока. Полученный результат указывает на слабое влияние непосредственно температуры на уменьшение интенсивности УВ.
В связи с этим проведен численный эксперимент, позволяющий оценить влияние смены режима течения в тепловом слое в области взаимодействия со сверхзвукового на дозвуковой. Для этого при заданных параметрах потока, соответствующих предыдущему варианту расчета, проведено изменение в расчетной сетке, заключающееся в смещение генератора УВ на 30мм в сторону левой границы расчетной области. Это мероприятие позволило организовать взаимодействие УВ с дозвуковым тепловым слоем при следующих параметрах: Mjвз. = 0.868, ТJвз. = 962 К, р]вз/рт = 0.16. Начальные параметры: Мт= 2, рт= 0.0277 МПа, ТМ= 154 К, hм = 2 мм, hj = 1 мм, pj = 0.0277 МПа, Mj = 0.5, Тj = 5000 К.
Так же, как и в предыдущем варианте, взаимодействие УВ с тепловым слоем реализуется в виде нерегулярного преломления (Рис. 3.16). При этом фронт прошедшей УВ формируется элементами скачков, соответствующих падающей УВ, скачкам давления перед верхней и нижней областью деформированного теплового слоя и прямому скачку, определяющему в тепловом слое переход течения через скорость звука. В отличие от предыдущего варианта (МJвз. = 1.03), возмущенное давление за падающей на тепловой слой УВ (см. Рис. 3.16) распространяется заметно выше по дозвуковому потоку (Mjвз. = 0.868), что приводит к расширению теплового слоя. При взаимодействии падающей УВ с тепловым слоем образуется отраженная волна сжатия (см. Рис. 3.16б). Интенсивность прошедшей тепловой слой УВ при этом (см. Рис. 3.16б) уменьшается на 31% относительно падающей УВ, что указывает на существенное влияние дозвукового характера течения на уменьшение интенсивности УВ. а б Рис. 3.16. Распределение чисел Маха (а) и статического давления (б) в расчетной области течения 1- до взаимодействия с тепловым слоем (y = - 5мм) , 2 – после взаимодействия с тепловым слоем (y = 4мм), 3- по оси теплового слоя (y = 0 мм)
На профиле давления для прошедшей тепловой слой УВ заметно увеличено время нарастания максимального давления за счет зоны повышенного давления перед фронтом УВ, что указывает на снижение эффективности воздействия УВ. Происходит это практически без изменения величины положительного импульса избыточного давления в прошедшей УВ.
Дальнейшее уменьшение числа Маха потока теплового слоя в области взаимодействия получено увеличением вдвое поперечного размера щелевого сопла (1IJ=2мм), что поз волило получить в зоне взаимодействия следующие параметры: MJвз. = 0.1757, ТJвз. = 1548 К, Pidp« = 0.128. То есть увеличение вдвое толщины теплового слоя обеспечило в области предполагаемого взаимодействия пятикратное уменьшение числа Маха при слабом изменении температуры и плотности нагретого газа. Левая граница расчетной области была смещена в начальное положение (на 30 мм влево).