Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор результатов исследования процессов смешения в сдвиговых течениях 14
1.1 Методы интенсификации процессов смешения в сверхзвуковых струях 14
1.2 Пространственная структура течения в слое смешения сверхзвуковой струи 22
1.3 Постановка задачи 31
Выводы к главе 1 33
ГЛАВА 2 Экспериментальное оборудование 34
2.1 Вертикальная струйная установка ИТПМ СО РАН 34
2.2 Струйный модуль гиперзвуковой аэродинамической трубы Т-326 ИТПМ СО РАН 39
2.3 Автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных 45
2.4 Методика сбора и обработки экспериментальных данных 52
Выводы к главе 2 54
ГЛАВА 3 Стационарная структура сверхзвуковых струй 55
3.1 Структура течения в начальном участке сверхзвуковой неизобарической струи 55
3.2 Экспериментальное исследование структуры сверхзвуковой струи при изменении геометрии входного участка сопла 63
3.3 Влияние кривизны линий тока на интенсивность продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковых струй 73
Выводы к главе 3 82
ГЛАВА 4 Генерация продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи 83
4.1 Экспериментальное исследование генерации продольных вихрей с помощью стационарного искусственного единичного возмущения 83
4.2 Влияние различного количества искусственных микронеровностей на структуру сверхзвуковой струи 90
4.2.1 Экспериментальные данные для сверхзвуковой недорасширенной струи Ма= 1 90
4.2.2 Экспериментальные данные для сверхзвуковой перерасширенной струи Ма= 2 98
4.3 Эксперимент с микрогофрированной поверхностью сопла... 103
4.4 Эксперимент с микроструей на начальном участке сверхзвуковой струи 108
Выводы к главе 4 117
Заключение 119
Литература 121
Приложение 131
- Пространственная структура течения в слое смешения сверхзвуковой струи
- Автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных
- Экспериментальное исследование структуры сверхзвуковой струи при изменении геометрии входного участка сопла
- Экспериментальное исследование генерации продольных вихрей с помощью стационарного искусственного единичного возмущения
Введение к работе
Изучение развития продольных вихревых структур было начато с того, что на шлирен-фотографиях сверхзвуковых недорасширенных струй видны чередующиеся продольные полосы. Причина их возникновения не была ясна.
Впервые возникновение продольных вихрей в области присоединения струи к внутренней поверхности канала было замечено при исследовании процесса истечения осесимметричной сверхзвуковой струи в соосный цилиндрический канал с внезапным расширением [1]. При трактовке результатов наблюдений высказана гипотеза о том, что «основной причиной образования продольных вихрей является потеря устойчивости пограничного слоя при резком его повороте, когда нарушается равновесие между центробежными силами и силами давления». Продольные вихревые структуры наблюдались также в зоне взаимодействия сверхзвуковой струи с жидкой поверхностью [2].
После чего с помощью приемника полного давления (трубки Пито) проведены измерения азимутального распределения давления в области, заключенной между висячим скачком и границей струи [3]. Эту область принято называть слоем смешения струи. В этой области сверхзвуковой струи происходит основной массообмен газа, истекающего из сопла и окружающим воздухом. В результате проведенных исследований выявлена существенная неоднородность в распределении давления в виде чередующихся пиков и впадин и выдвинута гипотеза о том, что эти полосы ассоциируются с вихрями типа Тейлора-Гертлера [4]. Вихревое движение усиливает массообмен струи с внешней средой, существенно изменяет азимутальные и радиальные распределения полного давления и числа Маха, а также оказывает влияние на конфигурацию границы струи. Недостаточная изученность обсуждаемых вопросов приводит к необходимости дальнейших исследований условий возникновения и трансформации трехмерных возмущений в слое смешения сверхзвуковой недорасширенной струи.
Азимутальные неоднородности проявляются в струях, истекающих из сопел разных размеров при различных газодинамических параметрах, что свидетельствует о достаточно широкой распространенности этого явления в струйных течениях. Изучение спектрального состава естественных возмущений, проведенное впервые [33] показало, что азимутальные неоднородности представляют собой суперпозицию разномодовых спектральных составляющих. Наблюдается затухание спектральных составляющих с большими волновыми числами, что связывается как с процессами укрупнения вихрей, так и с возможной диссипацией, физический механизм которой пока не изучен. Течение в области слоя смешения струи неустойчивое [79]. Эту неустойчивость принято называть неустойчивостью Тейлора - Гёртлера.
В работе дальнейшем подтверждена гипотеза о существовании продольных вихрей Тейлора - Гёртлера в слое смешения сверхзвуковой недорасширенной струи [5]. Особенность развития продольных вихрей в пространственном слое смешения струи заключается в том, что при увеличении расстояния от среза сопла происходит их укрупнение.
Необходимо отметить, что в это время работ по данной тематике практически не было. В работах [3,5,7] впервые были обнаружены продольные вихри Тейлора - Гёртлера в слое смешения начального участка сверхзвуковой недорасширенной струи, истекающей в затопленное пространство (воздух) при больших числах Рейнольдса.
Позднее продольные вихревые структуры также были обнаружены при помощи визуализации лазерным ножом в поперечных сечениях струи [5,6]. Для разреженных струй явление образования трехмерных особенностей на границе струи было подтверждено в работе [9] при визуализации течения с использованием явления флюоресценции.
Сверхзвуковая недорасширенная струя на начальном участке имеет максимальную кривизну линий тока, способствующую формированию продольных вихрей Тейлора-Гёртлера и если внести некоторое начальное
-8-контролируемое возмущение в струю, то оно будет способствовать усилению возмущений данного типа. На выходе в развитом слое смешения струи возникнут продольные вихри с заданной амплитудой и определенным спектральным составом. Начальное возмущение будет играть существенную роль в формировании продольных вихревых структур в слое смешения струи. Это позволило бы управлять процессами смешения в струе.
Данные факты позволили провести ряд работ по изучению структуры продольных вихрей с помощью искусственных микронеровностей, расположенных на внутренней поверхности сопла. Работы выполнены на вертикальной струйной установке в ИТПМ им. С.А. Христиановича СО РАН на сопле с микронеровностями в виде крупинок сферической формы диаметром 150 мкм, нанесённых на внутреннюю поверхность вблизи среза сопла на расстоянии 0,6-1 мм от его среза [10]. Проведены подробные измерения азимутальных распределений давления в продольных сечениях струи при различных степенях нерасчетности струи PJPh= 1-3, 1.71, 1.95, Ра -давление на срезе сопла, Р/,- давление в окружающей среде и числа Рейнольдса, соответствующие этим нерасчетностям, вычисленные по диаметру среза сопла Red-10'6= 1.3, 1.71, 1.95. Получена зависимость относительной толщины слоя смешения 5' на границе струи от продольного расстояния х'. На срезе сопла пограничный слой можно считать ламинарным. Это основано на анализе данных по измерению числа Рейнольдса перехода от ламинарного режима течения к турбулентному равное (2-5)-10 [11]. Следовательно, переход происходит в слое смешения сверхзвуковой струи за счет развития стационарных возмущений в виде продольных вихрей Тейлора - Гёртлера, в котором и происходит дальнейший переход к турбулентному течению. В работе было подтверждено утверждение о существенной роли влияния начальных возмущений в виде шероховатости сопла на формирование и развитие продольных вихрей в начальном участке сверхзвуковой неизобарической струи на основе анализа спектральных характеристик. Но проблема заключалась в том, что продольные вихревые
-9-структуры, генерируемые микронеровностями, имели малую величину по размеру и не были явно выражены. Причина заключалась в большом уровне возмущений, вносимых инструментальной шероховатостью сопла и кривизной линий тока струи, которые должны при определенных обстоятельствах формировать интенсивные продольные вихри Тейлора-Гёртлера.
Исследование дозвукового слоя смешения при наличии существенных начальных трансверсальных возмущений, вводимых в поток с помощью дольчатого смесителя, выполнено в работе [12], где дан подробный анализ формирования и развития продольных вихрей z дсзлуковом слое смешения. В [11] показано, что интенсивность продольных вихрей быстро уменьшается с удалением от источника генерации продольных структур.
Неустойчивость вихрей гертлеровкого типа существует и в дозвуковых течениях [95]. Причиной возникновения неустойчивости Тейлора-Гертлера в таких течениях является невязкий локальный механизм, обусловленный перегибами в мгновенных профилях средней скорости как в нормальном (варикозная мода) так и трансверсальном (синусоидальная мода) направлении.
В последнее время в работе [13] было показано чёткое влияние контролируемых стационарных возмущений на структуру струи. В этой работе была сделана попытка ответа на вопрос, что является определяющим фактором в процессе возникновения продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи - шероховатость на срезе сопла или кривизна линий тока. Была выполнена оценка роли несовершенства изготовления сопла и сделано утверждение о том, что хотя кривизна может привести к пространственному усилению трехмерных возмущений в слое смешения струи, но. это условие не может повлиять существенным образом на динамику их развития. Однако спектрального анализа формирования этих возмущений не было.
В работах [14-16] установлено, что шероховатости и локальные микронеровности внутренней поверхности сопла существенно влияют на процесс формирования азимутальных неоднородностей в слое смешения высокоскоростной струи. Физический механизм развития продольных вихрей в слое смешения определяется процессами, описываемыми в рамках теории гидродинамической устойчивости сдвигового течения, а также дополнительными факторами, обусловленными наличием кривизны линий тока на границе сверхзвуковой недорасширенной струи.
Таким образом, попытки ввести искусственные возмущения в виде шероховатости контролируемой величины, предпринимаемые ранее, указывали на существенное влияние естественной шероховатости сопла при формировании продольных вихревых структур в слое смешения сверхзвуковой струи.
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию структуры течения в слое смешения сверхзвуковой струи и поиску наиболее приемлемых способов воздействия на струю с целью генерации продольных вихревых структур.
Были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработаны методики измерения радиальных и азимутальных
распределений давления. Создана система автоматизированного сбора
данных на основе многофункциональной платы Advantech, включающая в
себя азимутально-радиальный координатник, с блоком управления,
позволяющий проводить измерения в струе по трем координатам
продольной х, радиальной г и азимутальной ф, сопряженным с
персональным компьютером. Изготовлены новые сопла с высоким
качеством внутренней поверхности и числом Маха на срезе Ма= 1 и 2.
2. Уточнена стационарная структура сверхзвуковых струй Ма= 1 и 2.
Определена толщина слоя смешения и создана методика
экспериментального определения кривизны линий тока.
3. Проведены экспериментальные исследования структуры сверхзвуковой
недорасширенной струи Ма= 1.0 при изменении входного участка сопла и
показано влияние нарастания толщины слоя.
4. Формирование продольных вихревых структур в слое смешения
сверхзвуковой недорасширенной струи при наличии следующих типов
стационарных контролируемых искусственных возмущений:
микротабов, микрогофров и микроструй.
5. Проведено сопоставление полученных экспериментальных данных для
сопла с микротабами, микрогофрами и микроструями с целью нахождения оптимальных способов воздействия на слой смешения сверхзвуковой струи. Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
1. Исследована структура сверхзвуковой струи при наличии
контролируемых искусственных возмущений и показано, что наиболее
перспективным способом воздействия являются микроструи.
2. Отработаны различные способы генерации продольных вихревых
структур в слое смешения струи с помощью искусственных возмущений
различного типа, таких как микротабы, микрогофры и микроструи.
3. Проведены параметрические исследования влияния числа одинаковых
микротабов на генерацию и развитие продольных вихрей в слое смешения
струи. Выполнен спектральный анализ стационарных искусственных
возмущений контролируемой величины, вводимых в поток.
На защиту выносятся:
методика экспериментального исследования структуры сверхзвуковых неизобарических струй;
результаты экспериментального исследования влияния искусственных возмущений на формирование продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи.
Диссертация состоит из четырёх глав.
В первой главе описана актуальность изучения образования продольных вихревых структур в струе. Проведен обзор результатов исследований по улучшению процессов смешения и уменьшению уровня шума, генерируемого струй в результате формирования продольных вихревых структур при помощи искусственных возмущений, таких как гофры, шевроны, табы и струи. Описаны продольные вихревые структуры и особенности их пространственного развития.
Вторая глава посвящена описанию экспериментального оборудования, автоматизированной системы сбора и обработки экспериментальных данных, анализа погрешности измерений. В главе описаны две аэродинамические установки - вертикальная струйная установка В СУ и гиперзвуковая аэродинамическая труба периодического действия Т-326, азимутально-радиальный координатник и новые сопла с высоким качеством внутренней поверхности (полированными). Описана технология проведения эксперимента и обработки полученных данных.
В третьей главе определяется структура сверхзвуковых струй Ма= 1 и 2 на начальном участке в пределах первой ячейки струи. Определено влияние толщины пограничного слоя в конвергентном сопле с цилиндрической вставкой. В главе описана методика вычисления кривизны линий тока и её влияние на развитие продольных вихревых структур в слое смешения сверхзвуковых струй Ма= 1 и 2.
В четвертой главе описаны экспериментальные методы генерации стационарных продольных вихревых структур с помощью контролируемых искусственных возмущений различного типа. Приводятся результаты экспериментального исследования влияние трёх типов искусственных возмущений - микротабов, микрогофров и микроструй. Проведен сравнительный анализ наиболее приемлемых и перспективных способов формирования продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи.
В диссертации использованы экспериментальные данные, полученные помимо автора сотрудниками ИТПМ им. С.А. Христиановича СО РАН В.И. Запрягаевым, А.В. Солотчиным.
Основные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в работах [23,55-62,64-74,92], докладывались на следующих конференциях: «Устойчивость течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей» (2001, 2004, г Новосибирск), молодежная конференция «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей» (Новосибирск, 2004, 2005), ШТАМ Symposium on Turbulent Mixing and Combustion (Kingston, Canada, 2001), Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001, Нижний Новгород - 2006)), West East High Speed Flow Field Conference (2002 Marseille, France; 2005 Beijing, China), IV Международная Конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2002), Международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, Россия, 2002, 2004), International Conference Methods Aerophisical Research - ICMAR (2002, 2004, Novosibirsk), International Couette-Taylor Workshop Nonlinear Dynamics in Fluids (Barcelona, 2003), Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2003), Международная школа-семинар (Евпатория, 2004), European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles - ESA (2005, Cologne, Germany).
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 00-01-00847 и 02-01-00515.
Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору технических наук Запрягаеву В.И. Автор признателен соавтору к.т.н. Сол отчину А.В. и коллективу лаборатории «Экспериментальной аэрогазодинамики» ИТПМ СО РАН за помощь в подготовке и проведении экспериментов.
Пространственная структура течения в слое смешения сверхзвуковой струи
Изучение продольных вихревых структур в начальном участке свободной сверхзвуковой неизобарической струи, истекающей в затопленное пространство, началось в 1988 г. с работы [3] для плотных струй, с высокими числами Рейнольдса, и с независимо выполненного исследования для струи разреженного газа [31]. Существование азимутальных неоднородностей на начальном участке струи было выявлено как с помощью шлирен-фотографий, на которых видны продольные полосы, так и непосредственным измерением азимутального распределения полного давления в потоке. І Отмеченные неоднородности проявляются в струях, истекающих из сопел разных размеров при различных газодинамических параметрах, что указывает на достаточную распространенность этого явления. В настоящее время имеется ряд расчетно-теоретических работ, в которых изучается образование и структура продольных вихревых образований как в пограничном слое [32], так и в слое смешения [33]. В этих работах показано, что даже плоский дозвуковой слой смешения неустойчив к трансверсальным возмущениям, в результате чего возникают продольные вихри.
Исследование развития возмущений в несжимаемом искривленном слое смешения были выполнены в [34], численные данные о развитии стационарных возмущений типа Тейлора-Гертлера в сверхзвуковой струе представлены в [35].
Шлирен-фотографии сверхзвуковой неизобарической струи, соответствующие перепаду давления Npr= Р(/Рс- 12.1 (число Рейнольдса, вычисленное по параметрам струи в выходном сечении и диаметру сопла, равно Red= 3.8-106) представлены на рисунке 1.9. Обе фотографии соответствуют одному газодинамическому режиму истечения из гладкого сопла, фотография рисунке 1.9,а соответствует осредненной структуре течения (экспозиция 0.03 сек), а на рис. 1.9,6 - мгновенной структуре течения (экспозиция 1 мксек).
Отметим некоторые особенности структуры течения отчетливо видимые на фотографиях. Видны продольные полосы, связываемые с наличием в слое смешения продольных вихревых структур в слое смешения струи. Описание природы этих полос было начато с работы [3]. Хотя ранее эти полосы были видны на шлирен-фотографиях сверхзвуковых струй [38-40]. В затопленном пространстве наблюдаются акустические волны. Продольные вихревые структуры имеют вид волнистых линий, что связывается с наличием пространственно-временных флуктуации. Тот факт, что такой характер флуктуации сопровождает продольные вихревые структуры в слое смешения струи, позволяет связывать их наличие с развитием вторичной неустойчивости течения.
В первой ячейке струи просматривается некоторая упорядоченность во флуктуациях продольных вихрей, которая теряется ниже по течению и представляет собой характерное турбулентное течение без выделенных пространственных масштабов. В качестве особенности течения, отчетливо просматривающейся на мгновенных фотографиях поля течения, следует отметить четкую границу струи вблизи среза сопла (рис. 1.9,6). При x/Ra 1 (Ra- радиус сопла на выходе) на границе развиваются флуктуации потока за счет гидродинамической неустойчивости течения. Этот факт указывает на то, что при истечении недорасширенной струи из конвергентного сопла с числом Рейнольдса около 4-10 реализуется ламинарный режим течения в слое смешения струи на расстоянии x Ra. Это наблюдение заслуживает внимания по двум причинам. Одна из них заключается в том, что обычно полагали, что при числах Рейнольдса более чем 104 течение полностью турбулентное в начальном участке струи [37], более тщательное наблюдение именно среза сопла указывает на возможность существования маловозмущенной области течения в непосредственной близости от среза сопла. В качестве наиболее вероятной причины наличия ламинарного участка течения в слое смешения струи вблизи сопла является известный факт увеличения критического значения числа Рейнольдса перехода от ламинарного течения к турбулентному при отрицательном градиенте давления [4], что и наблюдается вблизи среза сопла при истечении недорасширенной струи. Вторая причина обусловлена первой - наличие даже небольшого участка ламинарного течения дает эффективный способ управления течением в начальном участке сверхзвуковой струи за счет вмешательства в механизм ламинарно-турбулентного перехода.
Схематичное изображение продольных вихревых структур в начальном участке струи представлено на рис. 1.10, где цифрами обозначены: 1 - сопло, 2 - диск Маха, 3 висячий скачок уплотнения, 4 - отраженный скачок, 5 -граница струи, 6 - продольные вихри [5].
Визуализация пространственной картины течения в сверхзвуковой струе проводилась с помощью метода лазерного ножа [7,8,36]. Метод основан на регистрации рассеянного частицами струи лазерного излучения, сформированного в виде плоскости, перпендикулярной оси струи. С помощью оптической системы формировался плоский световой луч (лазерный нож) [41]. Источником света служил аргоновый лазер непрерывного действия ЛГ106М мощностью 1.5 Вт. Оптическая система позволяла формировать лазерный нож в различные сечения струи. На рис. 1.11,а приведена фотография поперечного сечения струи x/Ra= 4.0, полученная с помощью фотокамеры, расположенной ниже по течению на расстоянии 0.25 м вне струйного потока [36]. Угол между направлением съемки и осью струи равен 60. Время экспозиции составляло 2 с, поэтому регистрировалась осредненная картина течения.
Автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных
С целью изучения структуры сверхзвуковых струй и их топологической картины течения в лаборатории №10 ИТПМ СО РАН, была изготовлена и введена в действие автоматизированная система сбора и обработки данных, включающая в себя азимутально-радиальный координатник, с блоком управления, сопряженным с персональным компьютером. Координатник позволяет проводить измерения в струе по трем координатам продольной х, радиальной г и азимутальной ср. Изготовлены новые сопла с числом Маха на срезе Ма= 1 и 2 (гл. 2.2) с высоким качеством внутренней поверхности (полированными). Только наличие таких сопел и данной автоматизации позволили начать эксперименты по изучению влияния искусственных микронеровностей на развитие продольных вихрей в начальном участке струи.
Система перемещения трубки Пито по координатам х, г, р осуществляется с помощью шаговых двигателей, через устройство перемещения шаговыми двигателями ПУАК, которое соединено с ПК, в котором находится многофункциональная плата АЦП фирмы Advantech PCI-1710HG (PCL-818HG). Таким образом, появилась возможность перемещать трубку Пито вручную с помощью ПУАК, в который «вшита» программа перемещения с коэффициентами редукции шаговых двигателей по радиальной и азимутальной координатам. По продольной координате перемещение производится через червячную передачу с помощью обычного электрического двигателя. Один оборот соответствует перемещению на 0.1 мм. Разработанная специальная программа сбора экспериментальных данных на языке «Дельфи» позволяет управлять координатником, регистрировать давление и температуру в форкамере струйного модуля, давление в рабочей камере установки и давление измеряемое трубкой Пито с помощью персонального компьютера.
Программное обеспечение предназначено для проведения тарировок и сбора экспериментальных данных с 8 дифференциальных (16 одинарных) каналов платы АЦП. Программа разработана в лаборатории экспериментальной аэрогазодинамики программистом Певзнер А.С.
Обращение к многофункциональной плате происходит через драйверы, поставляемые производителем оборудования, что позволило заменить одну плату (PCI-1710HG) на другую (PCL-818HG).
Для удобства пользования программное обеспечение сгруппировано по следующим страницам-закладкам: - заголовок (зарезервирована для связи с архивной базой данных); - конфигурация; - тарировка; - эксперимент; - координатник; - справка. Страница «конфигурация» На рис. 2.16. и рис. 2.17. приведены две различные конфигурации. Верхняя таблица позволяет выбрать конфигурацию из базы. В этой таблице отражены дата создания, название и ведущий ("хозяин") конфигурации. Навигация по таблице может выполняться полосой прокрутки или кнопками, расположенными под этой таблицей. Добавление и удаление данных выполняют кнопки "+" и "-" соответственно. Все кнопки снабжены подсказками, которые высвечиваются при подводе мышки к кнопке. Кнопка «копировать конфигурацию» используется для создания новой конфигурации по аналогии с имеющейся. В новой (скопированной) конфигурации к названию добавляется слово "копия" (см. рис. 2.16.) и далее пользователь может править ее по своему усмотрению. Панель "координатник" позволяет задать шаг по радиусу и углу. Этот шаг выполняется между измерениями в отсчете и число шагов всегда на единицу меньше числа измерений, потому что после последнего отчета измерение не выполняется. В нижней таблице находится информация об используемых в выбранной конфигурации каналах: 1. Канал выбирается из списка возможных номеров, плюс «формула». Формула (см. рис. 2.17.) позволяет в качестве канала задать линейную комбинацию других каналов. 2. Физическое имя - это имя канала, имеющее физический смысл и использующееся на странице "эксперимент". 3. Датчик - название датчика; выбирается из базы данных "Датчики и тарировки". 4. Цикл — позволяет отметить каналы для непрерывного опроса и вывода на экран. Циклично можно выводить все каналы, кроме формульных. 5. Диапазон - выбор нужного диапазона из списка возможных. 6. КО, К1, К2, КЗ - коэффициенты для уравнения аппроксимации, формула пересчета напряжений в давления. Может заполняться при тарировке или вручную, используется на странице "эксперимент". 7. Усиление - коэффициент усиления. Однозначно определяется диапазоном канала. Страница «тарировка» Эта страница позволяет снять показания со всех (описанных в данной конфигурации) датчиков, ввести показания задатчика и рассчитать аппроксимационные коэффициенты. Показания датчиков снимаются кнопкой «отсчет» и заносятся в верхнюю таблицу. Графа «задано» отображает показания задатчика; может заполняться вручную и/или прибавлением «приращения задатчика» к предыдущему значению. Ненужные отсчеты можно исключить из обработки, пометив их " - ". Если эти отсчеты не нужны для дальнейшей работы, кнопка «сжать таблицу» удалит их окончательно. Соседняя кнопка «очистить таблицу» удаляет из таблицы все данные (рис 2.18.).
Для удобства работы на экран вынесены "число измерений в отсчете" (сколько раз снять показания за один отсчет) и "усреднять по" (каждое измерение считается как среднее арифметическое N значений). Степень аппроксимационного полинома пользователь может выбрать от 1 до 3; может попробовать аппроксимировать полиномами различной степени, выбирая степень полинома и нажимая кнопку «аппроксимация».
Небольшая серая кнопка с графиком позволяет подсчитать простейшую статистику (среднее, дисперсию, разницу между максимальным и минимальным значениями); используется для сравнения разных плат АЦП.
Экспериментальное исследование структуры сверхзвуковой струи при изменении геометрии входного участка сопла
Сверхзвуковая недорасширенная струя, истекающая из осесимметричного сопла в затопленное пространство, характеризуется существенной неоднородностью распределения газодинамических величин, как вдоль оси, так и в поперечном направлении [75,76]. Из-за нерасчетности истечения, начиная от выходного сечения сопла, вектор скорости потока в сверхзвуковой струе, имеет радиальную составляющую, направленную от оси. Вследствие этого граница струи на начальном участке приобретает бочкообразную форму. По мере удаления вниз по потоку радиальная { составляющая вектора скорости периодически меняет свое направление, что способствует образованию многоячеистой (многобочечной) структуры слабонедорасширенной струи [77,78]. Вблизи границы струи линии тока приобретают определенную кривизну, величина которой зависит от начальных условий истечения: скорости потока, перепада давления на выходе из сопла, начального состояния пограничного слоя струи. На стенках сопла образуется пограничный слой, толщина которого меняется в зависимости от режима течения (от числа Рейнольдса Re), геометрических характеристик и шероховатости сопла [14]. Изменение толщины пограничного слоя вызывает перераспределение скорости и давления не только вблизи стенок, но и в выходном сечении сопла, что может стать причиной отклонений газодинамических величин струи от заданных значений [63]. В сверхзвуковых струях это приведет к изменению геометрических размеров волновой структуры и, следовательно, кривизны границы струи и линий тока в слое смешения. Интерес, проявляемый к этой области течения, связывается с гёртлеровской неустойчивостью, приводящей к возникновению продольных вихревых структур типа вихрей Тейлора Гёртлера [5,93]. Таким образом, кривизна линий тока - важный фактор в процессе формирования гёртлеровской неустойчивости в сверхзвуковых неизобарических струях.
Целью экспериментальных исследований являлось определение влияния начального состояния пограничного слоя в выходном сечении сопла на газодинамику истечения слабонедорасширенной струи в первую очередь на кривизну линии тока слоя смешения и характер развития возмущений в слое смешения сверхзвуковой неизобарической струи. Начальное состояние пограничного слоя изменялось с использованием сопел с различной формой входного участка.
Экспериментальные исследования проводились на ВСУ ИТПМ СО РАН на сужающих осесимметричных соплах двух типов: коротком (соответствует индексу 1) и длинном (индекс 2), состоящих из постоянной и сменной частей (рис. 3.7).
Постоянная часть ВС сопел с диаметром выходного сечения D= 20мм, имеет форму двух сопряженных конусов с полууглами 10 и 3. Угол наклона образующей дозвуковой сменной части АВ короткого сопла составляет 25. Отношение диаметров входного сечения короткого сопла к выходному Dj/D=4A, относительная длина сопла L;/D=6.45. Сменная часть длинного сопла А В представляет собой цилиндрическую трубу с относительными внутренним диаметром 1.28 и длиной L2/D=21.2.
Число Рейнольдса, рассчитанное по параметрам потока на выходе и диаметру сопла, равно Red= 1.61-Ю6. В качестве объекта исследования выбрана сверхзвуковая воздушная струя с температурой торможения Го=283 К. Истечение струй происходило в режиме недорасширения с давлением торможения в форкамере Ро=5Л0 кПа (5 ата.). В экспериментах измерялись полное давление (с помощью стандартного цилиндрического пневмоприемника с диаметром приемного отверстия d- 0.4 мм и индуктивного датчика ДМИ) и координата г смещения пневмоприемника от оси струи. Распределение полного давления по радиусу струи проводилось в различных поперечных сечениях в пределах первых трех ячеек (бочек). Первое сечение находилось на расстоянии x=0.5Ra (Ra- радиус выходного сечения сопла).
Для измерения Pt и г использовалась автоматизированная система сбора данных на основе персонального компьютера, сопряженного с крейтом КАМАК [80]. Погрешность измерения полного давления не превышала 1%.
На рис. 3.8 приведены распределения относительного полного давления по радиусу струи, истекающих из короткого сопла, обозначенного на рисунке Р и длинного - Pd.
На рис. 3.9 приведены распределения относительного полного давления по оси струй (здесь и далее штриховые кривые и точки 1 соответствуют короткому соплу, сплошные кривые и точки 2 - длинному). Несмотря на то, что формирование сверхзвуковых струй происходило при одинаковом давлении в форкамере, распределения полного давления по радиусу и по оси струй различны. При этом наибольшее различие профилей Pt(r) наблюдается для первой бочки (x/Ra= 0.5 - 4), для второй и третьей бочек эти профили практически совпадают (различие отмечено только на оси струй). Выравнивание газодинамических величин на отдаленных участках струй вызвано усилением диссипативных процессов при прохождении потока через систему волн сжатия и разрежения, а также возрастающим влиянием турбулентности в расширяющемся слое смешения. Из рис. 3.9 следует, что отношение полного давления перед и за прямым скачком уплотнения в выходном сечении короткого сопла ровно единице, что реализуется при числе Маха Мі= 1. В выходном сечении длинного сопла Р/Ро= 0.98, следовательно, скорость истечения струи сверхзвуковая М2= 1.3. Для объяснения отмеченного выше обстоятельства проводим анализ изменений, происходящих в пограничном слое обоих сопел. Числа Рейнольдса, рассчитанные по параметрам во входных сечениях сопел равны соответственно Rei= 1.14-105 и Re2= 3.93-105. Эти значения характерны для турбулентного течения в соплах. В коротком сопле скорость потока изменяется от дозвуковой до локальной скорости звука в критическом сечении, совпадающем с выходным.
Экспериментальное исследование генерации продольных вихрей с помощью стационарного искусственного единичного возмущения
Эксперименты проведены в двух продольных сечениях струи x/Ra= 1.5 и 2.0. В данных сечениях проведены измерения азимутальных и радиальных распределений полного давления Pt(r,q ). Экспериментальные данные были получены в слое смешения недорасширенной струи Ма= 1 как при наличии микротаба на внутренней поверхности сопла, так и для сопла без искусственных микронеровностей. В последующем сопло без микротабов будет обозначено как «чистое» сопло.
Радиальное распределение относительного давления в сечении x/Ra= 2.0 при наличии микротаба представлено на рис 4.2. На рисунке обозначено: 1 -измерения трубкой Пито проводились при фиксированном угловом положении р= 0 , 2 - при угле 160. При угле р= 160 на внутренней поверхности сопла располагался микротаб толщиной 40 мкм, (р= 0 соответствует «чистому» соплу. Трубка Пито устанавливалась при фиксированном угловом положении (р на оси струи. Затем во время истечения струи из сопла в рабочую камеру с помощью координатника производилось перемещение пневмоприемника от положения радиуса г= 0 мм до значения г, равного значению измеренного давления, равного давлению невозмущенного потока Pj= Рс (покоящийся газ). Это значение давления достигалось при г= 23-25 мм. Из графика видно, что в результате воздействия микротаба на структуру струи происходит смещение внутренней границы слоя смешения струи к оси. Максимум давления, соответствующий положению внутренней границы слоя смешения несколько ниже для случая с микротабом. Положение висячего скачка уплотнения не меняется (r/Ra= 0.65 на рисунке). Основная ударно-волновая структура течения внутри струи остается стационарной. Значение P/P(F- 0.2 соответствует положению внешней границы слоя смешения и равно давлению в рабочей камере Рс, течение в данной области равно течению невозмущенного потока, и газ, истекающий из сопла при этом давлении, полностью смешался с окружающим воздухом. Градиент давления при приближении к внешней границе струи в местоположении микротаба более пологий, чем для «чистого» сопла и давление на внешней границе слоя смешения наблюдается при меньшем значении радиуса. Этот факт означает, что процесс смешения происходит более интенсивно в местоположении микротаба.
Азимутальное распределение давления для «чистого» сопла при r/Ra= 1.3 (середина слоя смешения) представлено на рис. 4.3,а. На графике наблюдаются азимутальные неоднородности давления в струе, обусловленные естественной шероховатостью сопла, в результате которой в слое смешения струи формируются продольные вихревые структуры. В более ранних экспериментах, проведенных на В СУ при использовании старых сопел регистрировались наиболее сильные флуктуации азимутального давления (см. рис. 4.3,6). Величина АР= Ротш: - Pmin, (P и Pmim - максимум и минимум относительного полного давления на графике) при использовании новых сопел составляет 0.06, а для старых - 0.27. Для новых сопел, в результате высокого качества внутренней поверхности естественные возмущения, обусловленные естественной шероховатостью сопла, сведены к минимуму и в 4.5 раза меньше чем для старых сопел, что видно из экспериментальных данных, полученные для «чистого» сопла (рис. 4.3,а) по сравнению с данными, полученными на старом сопле (рис. 4.3,6).
Зависимости измеренного полного давления от азимутального угла при наличии микротабов для трёх значений к при r/Ra= 1.3 представлены на рис. 4.4. На графике регистрируются минимумы давления при р= 157 для к- 40 и 162 для к- 60 мкм, в случае к- 80 мкм этот провал виден при (р= 150. Минимумы регистрируются в местоположении микротаба и обусловлены следом от микротаба. Самое сильное воздействие наблюдается для микротаба толщиной 80 мкм, минимум давления достигает значения 0.033 (рис. 4.4,в). Справа и слева от основного пика видны вторичные пики меньшей амплитуды. Вторичные пики возникают вследствие возмущений, сходящих с краев микротаба около его основания. Наблюдается некоторая несимметричность в расположении вторичных пиков. Такая асимметрия объясняется не полной идентичностью микротабов. Таким образом, воздействие, получаемое от микротабов, имеет следующий вид -наблюдается основной минимум, возникает пара крупномасшабных вихрей, образующихся от следа микротаба и два более слабых пика, соответствующих продольным вихрям, формирующихся в результате возмущений, сходящих с краев микротаба.
На рис. 4.5. показаны экспериментальные данные азимутальных распределений относительного давления при x/Ra= 2.0 для значения радиуса r/Ra= 1.17, совмещенные для всех типов микротабов. Значение угла лежит в пределах от 100 до 200 градусов. Минимумы давления, регистрируемые на азимутальном профиле, соответствуют пространственному положению микротабов сопла. Разброс углов на графике обусловлен не одинаковым местоположением микротабов. Особенностью данного графика является то, что эти экспериментальные данные получены в радиальном сечении r/Ra= 1.17. Данный радиус соответствует устойчивому течению в сжатом слое струи. Следовательно, влияние искусственных возмущений распространяется и в сжатом слое струи. Зависимость среднеквадратического значения отклонения измеренного давления Pt((p) от радиуса струи для трёх толщин микротабов представлена на рис. 4.6.
